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1KW英飞凌BLDC电动工具套装 -- 硬件分析

1KW英飞凌BLDC电动工具套装 -- 硬件分析

2015-11-19 ~ 2015-11-25

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在这里我给大家分享 我对 EVAL_SSO8_1KW_BLDC开发板 的硬件分析。

EVAL_SSO8_1KW_BLDC开发板包括三个部分,如下图:

根据优盘里的资料分析,其框图是这样:

一、电容滤波电路

这里选择 1000uF/35V电解电容,因为电机工作电压24V以下,所以电容耐压值选择35V。

二、驱动电路

这部分主要由半桥栅极驱动IC:2EDL05N06PF、低压功率MOS管:BSC010N04LSI、SuperSO8封装 芯片组成。

先说说MOS管吧,以下内容是从网络上收集的知识。

1、在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等。

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。

对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,使用与源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

3、MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,因而在DS间流过电流的同时,两端还会有电压(如2SK3418特性图所示),这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。

下图是MOS管导通时的波形。可以看出,导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。降低开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

5、MOS管应用。现在的MOS驱动,有几个特别的需求, 

1)低压应用

当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。 

2)宽电压应用

输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。

3)双电压应用

在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。

经过上面知识内容,我们再分析下英飞凌的驱动电路吧。

BSC010N04LSI是英飞凌OptiMOS系列的低功率MOS管,采用了SSO8封装,通态电阻值只有1.05mΩ。并且每个通道采用两个MOS管并联,这样可以降低导通损耗。我接触的相同封装、不同厂家的MOS管中,英飞凌的BSC010N04LSI相比来说,是通态电阻最小的MOS管。驱动电路为下图。

2EDL05N06PF是600V 半桥驱动芯片。

电路板的电路是这样的。

以上是驱动部分,是不是有这两个芯片做驱动,就可以完成对电机的控制了?

做过电机驱动的工程师,都曾经有

1:电机运行时有较大噪音,

2:启动时,有时MOS也会烧掉。

3:电机启动后,假设此时正转,如果给一个反转信号,电机反转,但是几次正反转之后,MOS烧坏。

等以上问题。

那是因为驱动时换相不对,PID没调节好,电路设计有问题、程序控制等会造成电机噪音较大、烧毁MOS管。

这里就讲到了控制电路。

三、控制电路。

控制电路由  AD8618四通道、轨到轨运算放大器、IFX27001TFV50线性稳压器、XMC1302。

XMC是英飞凌的微控制器,完美支持多种电机的控制应用。

  • 32位 Cortex-M内核,32M -> 120MHz,强大的PWM,•支持电机应用中常见的所有传感器接口。
  • 通过其内置的FOC原理及位置估算,电机转速可对负载的变化作出精确而快速的反应 , 效率优化 , 可进行位置控制 , 驱动电机转矩脉动小、运转平稳。英飞凌EVAL_SSO8_1KW_BLDC评估板,采用的是电流读取方法(MOSFET内阻),这样节省硬件成本(采样电阻),便于PCB Layout。

如图示:

通过对硬件的分析,我对英飞凌的产品有了深刻的了解,尤其是MOS管和XMC系列微控制器。英飞凌对电机控制方面的产品做的非常出色,远远超过竞争对手。

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