FlexMOS™预驱动器用于电机控制应用

由  Nixon Mathew 发布  - 02-22-2022 

随着业界在大电流电机控制应用中用固态开关取代机械继电器,FLEXMOS™产品组合中的智能门极驱动器可与外部MOSFET配对使用。安森美(onsemi)的预驱动器方案赋能可扩展的设计灵活性,以满足不同的负载要求,可将电机驱动应用从一个电机扩展到多达七个,使这些产品成为广泛的汽车车身电子应用的理想选择。

预驱动IC的主要功能如下:

1. 微控制器 (uC) 和外部功率 MOSFET 输出级之间的接口。预驱动器 IC 在微控制器低压域(通常小于 5.5 伏)和汽车电池连接系统上的最大 40 伏之间提供隔离。

2. 为高边级提供门极过驱动,以能使用 N 沟道 MOSFET。

3. 监控和保护外部 MOSFET 和连接的负载,提高系统的鲁棒性和诊断能力。

4. 为导通和关断曲线提供特定的交流特性,以最小化开关应用的电磁辐射和损失能效。

需要双向电机旋转的应用使用外部 MOSFET H 桥配置——集成 H 桥以简化操作。相比之下,对热管理和负载电流要求更高的应用使用预驱动器和外部 MOSFET 方案。由于通道数越多,预驱动器的功耗就越容易管理,因此随着系统中大电流电机数量的增加,全局系统响应会显著提高。单个门极驱动器 IC如NCV754x可监控所有半桥节点和连接的负载,并防止由于故障情况导致的电机意外运动。

H桥架构让工程师能引导电机中的电流流动,如图1所示。电流的方向决定了电机的旋转方向。

 H-Bridge Motor Control

图 1:H 桥电机控制

流经电机的电流量与电机速度和可用扭矩直接相关。如果电机中的电流增加,那么如果外部负载的扭矩要求保持不变,电机的速度就会增加。或者,增加的电流可为重载转化为更高的扭矩,同时保持恒定的速度。

安森美的FLEXMOS预驱动器含可编程电流源和校准技术,让系统设计人员从我们在专用标准产品 (ASSP) 市场提供的广泛的 N 沟道 MOSFET 产品组合中进行选择。MOSFET 产品推荐工具可用于为合适的应用选择合适的 MOSFET 。

预驱动器拓扑提供更快的设计周期,以满足基于不同汽车 OEM 规格、调节水平和模型类型而不断变化的系统要求。

NCV754x Application Diagram

图 2:NCV754x 应用图

较短的设计周期是可实现的,因为系统设计人员能针对不同负载调整 MOS 功率级,同时保持其余硬件组件不变。在保持整体软件流程的情况下,需要对软件进行少量的修改,以微调对新MOSFET的控制。从图 3 中可看出,在从同一产品系列中选择预驱动器方案时,软件开发的 IP 重用更为明显。安森美有以下门极驱动器,共享相同的 SPI 寄存器设置和可编程性:

NCV754x Register Summary

图 3:NCV754x 寄存器汇总

系统设计人员采用多种预驱动器选项可优化成本,通过不同的通道组合实现OEM规范中要求的电机执行器数量。由于预驱动器的灵活性,各种终端应用都可使用这些器件,包括:

  • 座椅控制模块
  • 门锁和门闩
  • 升降门执行器
  • 天窗或天窗执行器
  • 车窗升降器

半桥驱动器块具有多个可编程的上拉和下拉电流源,用于为外部 MOSFET 的门极充电。图 4 显示了配置有外部 MOSFET 和电机负载的半桥预驱动器的简化视图。

Simplified HB Pre-Driver Controlling External MOSFETs and Motor Load

图 4:简化的半桥预驱动器,控制外部 MOSFET 和电机负载

上图中橙色突出显示的可编程电流源实现了先进的压摆率控制。为了更快的导通,可分阶段增加HS1的上拉电流源,以更快地给门极充电,从而为电机负载提供可预测的开关行为。精确的压摆率控制的显著好处是赋能更高的脉宽调制(PWM)频率,具有更严格的最小和最大占空比,并管理功率损耗和减少电磁辐射。

对于电机控制应用,非常希望PWM高于20 kHz,以高于可听频率范围。占空比最小值和最大值的更好性能为具有不同扭矩要求的电机负载提供了先进的速度控制。例如,对于重载或电机启动条件,需要更高的扭矩来保持速度恒定。系统设计人员必须增加占空比来增加电机的电流,以达到更高的扭矩。因此,希望以接近100%值的占空比工作。

由于高电流和高漏源电压(VDS)工作点,当通道开始导通时,MOSFET的功率损耗最大。通常情况下,最好能从MOSFET的高VDS状态快速过渡到全增强VDS阶段。因此,在要求高的负载的PWM周期中,最小化开关损耗。开关过快会导致击穿事件,从而导致模块退化或系统产生不良电磁辐射。门极驱动级的可选电流源让系统设计人员根据设计验证期间的热或排放需求、生产阶段的生产线末端校准,甚至在终端产品的生命周期内进行软件更新时,修改开关配置文件。

除了MOSFET控制外,FLEXMOS半桥预驱动器通过监测有源MOSFET的VDS,监测并保护外部MOSFET和连接的负载,以防发生短路。图5显示了一个输出波形和各种故障条件的例子。选定的FLEXMOS预驱动器在两个独立的部分提供VDS监测方案:动态VDS保护和静态VDS保护。动态VDS保护对开关阶段进行监控,而静态VDS保护则在MOSFET完全导通时工作。对于在工厂生产线上编程的已知电压与时间的开关曲线,所选的FLEXMOS半桥器件可监测输出电压(VHB)的进展,并确定是否存在故障情况。

Half-Bridge Output Switch Profile and VDS Protection

图 5:半桥输出开关曲线和 VDS 保护

有关可编程电流设置、PWM工作和器件保护功能的深入信息,请参考我们的应用注释--使用NCV7544、NCV7546和NCV7547半桥预驱动器(AND90124/D)的MOSFET门极驱动要求和初始参数设置方案以及参考工具。请通过安森美销售团队申请评估工具,以便进行快速的工作台评估。

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