作者：Doctor M
作為將電能轉換為機械能的裝置，電機種類豐富、用途廣泛，在工業、汽車、農業、辦公、家電等場景中隨處可見。以新能源汽車電控系統中采用的電機為例，便會涉及到直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機四大類。
自1831年英國物理學家、化學家法拉第發明真正意義上的第一臺電機，至今已有近200年的歷史，電機行業的重心也由直流有刷電機和交流異步電機轉移到永磁同步電機和直流無刷電機。憑借高效、高功率因數、高可靠性、溫升低、體積小等諸多優點，永磁同步電機在諸多領域得到了廣泛應用，包括航空航天、石油冶金、工農業和醫療器械等領域；直流無刷電機則具有效率高、壽命長、結構簡單、運行可靠、維護方便等突出優勢，在家用電器、辦公設備、工業設備和醫療設備等領域形成規模應用，并具有很大的市場潛力等待大家深入挖掘。
技術的進步推動市場向前高速發展，根據市場研究機構Grand View Research的統計數據，2020年全球電機市場銷售規模已經達到1505億美元，從2020年至2027年全球電機市場銷售規模有望以6.4%的年復合增長率繼續攀升，到2027年達到2325億美元。
圖1：全球電機市場銷售規模 數據來源：Grand View Research
對于電機應用而言，除了需要挑選適合的電機類型，驅動控制電路同樣很重要，一般由主處理器、增量型編碼器和驅動芯片組成，是電機提升能效的關鍵所在，技術和產品的先進程度與節能減排水平直接掛鉤。因此，如果能找到一款合適的電機驅動芯片，便能夠在開發效率、系統能效、集成度和可靠性等多方面助力電機方案的設計。
話不多說，我們來看看貿澤電子為電機開發人員精心準備的大禮包——八款主流電機驅動芯片大盤點，這些來自知名廠商的創新電機驅動方案，不僅類型豐富且各具優勢，是設計電機相關應用的優中之選。
ToshibaTB9058FNG電機驅動器
TB9058FNG是符合AEC-Q100標準的汽車直流伺服電機驅動器，能夠測量當前電機位置，控制電機旋轉，并確保旋轉到目標位置。
圖2：TB9058FNG (圖源：Toshiba)
圖3是該驅動器的內部框圖，該驅動器基于本地互連網 (LIN) 1.3協議規范，能夠以19200bps / 9600bps / 4800bps / 2400bps通訊速率與LIN總線進行數據通訊，最多可連接16個設備作為單個總線上的從設備。
圖3：TB9058FNG內部框圖 (圖源：Toshiba)
TB9058FNG的工作電源電壓范圍為7V至18V，待機電流消耗≤10μA，當器件喚醒前，考慮到振蕩穩定所需的時間，預計將至少需要等待10ms才能開始接收數據。
該驅動器擁有出色的保護功能，包括增強的校驗功能，±1.5A驅動器短路保護，以及過溫過壓保護電路等。
MC33HB2000AES是SMARTMOS單片半橋IC，是采用ISO 26262流程設計的H橋電機驅動器，符合AEC-Q100 1級標準，能夠滿足嚴格要求的汽車應用需求，包括電子節氣門控制，廢氣再循環（EGR）控制 ，渦輪、漩渦和旋轉以及廢物擋板控制，電動泵、電機控制和配件。
圖4：MC33HB2000AES (圖源：NXP)
MC33HB2000AES工作電壓范圍為5V至28V，能夠控制峰值電流大于10A的電感負載，標稱連續平均負載電流為3A，通過誤差小于5%的電流鏡輸出信號提供高精度的實時電流反饋。
圖5是這款電源IC的功能框圖。此驅動器提供了通過由低RDS (on) N溝道MOSFET和集成控制電路組成的單片H橋，高效驅動直流電機正向和反向軸旋轉的方法。H橋的開關動作可以進行脈寬調制以獲得扭矩和速度控制，從0.25V/μs到16V/μs分八步選擇，讓用戶可以靈活地滿足EMI要求并最大限度地減少開關損耗。輸出包括配置為標準H橋的四個功率MOSFET，由IN1和IN2輸入控制。
圖5：MC33HB2000AES功能框圖 (圖源：NXP)
MC33HB2000AES提供多項安全和保護功能，包括電荷泵欠壓、過壓和VPWR欠壓，接地短路和VPWR短路 (每路輸出) ，開路負載、溫度警告和過熱關斷。同時，該電源IC具有很好的可擴展性，SPI可編程電流限制和壓擺率允許為各種電機尺寸使用相同的電機驅動器。
ADI電機驅動器MAX22203
MAX22203是一款65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進電機驅動器，可用于驅動兩個有刷直流電機或單個步進電機。該器件內設有兩個H橋，最大工作電壓為65V。每個H橋均可單獨控制，具有0.3Ω的極低典型RON（高側+低側），從而實現高驅動效率，降低發熱量。
圖6：MAX22203 (圖源：ADI)
該器件的一大亮點是橋式輸出電流由非耗散型電流檢測電路 (ICs) 進行檢測，與可配置閾值電流 (ITRIP) 相比，無需通常需要的外部功率電阻器。通過將外部電阻器連接到REFA和REFB引腳，ITRIP閾值可獨立設置為兩個全橋。
諸多保護特性是MAX22203的另一大亮點，包括過流保護 (OCP) 、熱關斷 (TSD) 和欠壓閉鎖 (UVLO) 。每當檢測到故障狀態時，便激活開漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關斷和欠壓閉鎖期間，驅動器處于三態，直至恢復正常工作。
此外，MAX22203集成電流驅動調節 (CDR) ，電流檢測外部控制器可出于各種原因使用CDR引腳，如下圖7展示了當電機向前旋轉且DIN2保持在高電平 (情況A) 或DIN2切換時 (情況B和C) ，CDR功能的具體行為。比如，引腳占空比可用于檢測停頓條件。
圖7：MAX22203的CDR行為 (圖源：ADI)
MAX22203可用于有刷直流電機驅動器、步進電機驅動器、電磁驅動器、鎖存閥
英飛凌IM818-LCC智能功率模塊
IM818LCCXKMA1是一款全隔離雙列直插式CIPOS Maxi 1200V、15A三相智能電源模塊，采用DIP 36x23D封裝，為電機驅動應用提供全功能的緊湊型逆變器解決方案，可用于控制變速驅動應用中的三相交流電機和永磁電機，包括工業驅動、風扇和泵、HVAC室外風扇、有源濾波器等。
圖8：IM818LCCXKMA1 (圖源：英飛凌)
IM818LCCXKMA1基于1200V TRENCHSTOP IGBT技術打造，顯著提高了器件的靜態和動態性能。同時，這種IGBT技術與器件內部的軟恢復發射極控制二極管一起降低了導通損耗，給系統效率帶來明顯提升。
CIPOS Maxi IPM設計讓IM818LCCXKMA1堪稱高性能和高性價比之選，集成了各種電源和控制組件，以提高可靠性、優化PCB尺寸和系統成本。當工程師朋友的設計方案格外重視功率密度時，IM818LCCXKMA1無疑是理想的選擇，CIPOS Maxi IPM設計實現了1200V IPM級別的超小封裝，能夠在模塊和系統方面提升功率密度，在尺寸和性能方面都不妥協。
IM818LCCXKMA1提供出色的保護能力，包括過流關斷、相電流監控、溫度監控和欠壓閉鎖功能等，再結合DCB基板出色的熱性能，特別適合用于需要良好散熱性能和電氣隔離、較強EMI控制能力以及過載保護的電源應用。在此重點解讀一下過流關斷和欠壓閉鎖功能。
IM818LCCXKMA1具有SCSOA (短路安全工作區) 性能，如圖9所示，如短路時間小于16.0μs，IGBT就有安全關斷的能力。在這種情況下，IGBT可以在17.5V的控制電源電壓下關閉峰值約為46.8A的SC電流 (非重復) 。
圖9：IM818LCCXKMA1的SCSOA性能 (圖源：英飛凌)
IM818LCCXKMA1通過掩埋氧化硅層提供堅固型1200V SOI柵極驅動器技術，并可以防止相鄰器件之間的泄漏或閉鎖電流，防止閂鎖效應，從而提高魯棒性。這種適用于6個開關的保護技術能夠在欠壓鎖定或過壓等故障情況下關閉所有6個開關。
此外，如圖10所示，IM818LCCXKMA1集成IGBT、二極管、柵極驅動器IC和熱敏電阻，并通過超緊湊的占地面積，適用于空間受限的工業應用。
圖10：IM818LCCXKMA1的PCB特征 (圖源：英飛凌)
安森美 (onsemi) NCD57084隔離式IGBT柵極驅動器
NCD57084是一款高電流單通道IGBT柵極驅動器，具有2.5kVrms內部電流隔離，專為高功率應用中的高系統效率和可靠性而設計。該驅動器在窄體SOIC8封裝中包括具有軟關斷和故障報告功能的電流檢測功能。
圖11：NCD57084 (圖源：安森美)
NCD57084具有低輸出阻抗，用于增強型IGBT驅動，提供3.3V至20.0V寬輸入偏置電壓范圍和信號電平，以及高達30.0V寬輸出偏置電壓范圍，支持+7A/-7A高峰值輸出電流。通過圖12能夠看出，該器件傳播延遲時間短，可以做到精準匹配。UVLO閾值小，能夠實現偏置靈活性。
圖12：NCD57084傳播延遲、上升和下降時間 (圖源：安森美)
NCD57084設計用于在大功率應用中實現高系統效率和可靠性，擁有多項保護機制，包括短路期間的IGBT柵極鉗位、IGBT過流時軟關閉、2.5kVrms電流隔離、高瞬態抗擾度、高電磁抗擾度等，可用于電機控制、不間斷電源 (UPS) 、工業電源、暖通空調、工業用泵和風扇等領域。
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Microchip PIC32CM MC00電機控制MCU
PIC32CM1216MC00048-I/U5B是一款基于Arm Cortex-M0+內核打造的電機控制微控制器（MCU），運行頻率高達48MHz，具有單周期硬件乘法器和MPU，提供128KB閃存、16KB SRAM主內存和4KB閃存（用于數據閃存）。
圖13：PIC32CM1216MC00048-I/U5B (圖源：Microchip)
圖14是該MCU的功率域概覽，提供48MHz至96MHz小數數字鎖相環（FDPLL）、上電復位（POR）和掉電檢測（BOD）等功能。此外，還搭載包括一個16位Σ-Δ模數轉換器（SDADC）、兩個12位1Msps模數轉換器（ADC）、一個10位350ksps數模轉換器（DAC）以及兩個模擬比較器（AC）等高級模塊。
圖14：PIC32CM1216MC00048-I/U5B功率域概覽 (圖源：Microchip)
在電機控制方面，該MCU提供兩個24位定時器/計數器和一個16位定時器/計數器 (TCC) ，擴展功能包括：
· 多達4個比較通道，帶可選互補輸出；
· 在端口引腳上生成同步脈寬調制 (PWM) 模式；
· 確定性故障保護、快速衰減和互補輸出之間可配置的死區時間；
· 可以提高分辨率 (高達5位) 并減少量化誤差的抖動；
· 多達8個波形輸出通道。
TI三相柵極驅動器DRV8300NIPWR
DRV8300NIPWR是100V三相半橋柵極驅動器，每個半橋柵極驅動器均可驅動高側和低側N通道功率MOSFET，使用集成式自舉二極管和外部電容器為高側MOSFET生成正確的柵極驅動電壓。應用領域包括電動自行車，電動踏板車和電動交通，風扇、泵和伺服驅動器，無刷直流 (BLDC) 電機模塊和PMSM，無繩真空吸塵器，以及無人機、機器人和RC玩具等。
圖15：DRV8300NIPWR (圖源：TI)
在如圖16所示的DRV8300NIPWR簡化原理圖中，GVDD用于為低側MOSFET生成柵極驅動電壓，柵極驅動架構支持峰值高達750mA的拉電流和1.5A的灌電流；支持反相和同相INLx輸入；相位引腳SHx能夠承受最高-22V的負瞬態電壓；BSTx和GHx能夠支持更高的正電壓瞬變 (115V) 絕對最大電壓，從而提高系統的魯棒性；通過GVDD和BST欠壓鎖定為低側和高側提供欠壓保護；通過DT引腳可調死區時間，用于QFN封裝型號。
圖16：DRV8300NIPWR簡化原理圖 (圖源：TI)
此外，DRV8300NIPWR較小傳播延遲和延遲匹配性能可大大降低死區時間要求，進一步提高了效率。
ST電機控制器STSPIN32G4
STSPIN32G4是一款帶STM32G4 MCU的電機控制器，用于驅動三相無刷電機。該器件具有高度集成、靈活的產品特性，嵌入三個半橋柵極驅動器，電流能力為1A（拉電流和灌電流）；嵌入三個自舉二極管；嵌入可編程降壓穩壓器，具有嵌入式功率MOSFET，可從電機電源電壓VM開始為柵極驅動器生成電源電壓；自帶集成式MCU（STM32G431VBx3），工作頻率高達170MHz；MCU內部還集成高速存儲器（128kB閃存和32kB SRAM），以及具有多種保護機制和多達40引腳可用GPIO。
圖17：STSPIN32G4 (圖源：ST)
因此，該器件可明顯減少PCB面積和總體物料清單。得益于嵌入式靈活電源管理功能，該器件可自供電，可以從電機電源電壓VM產生所需的所有電源，這是唯一從外部提供的電源。
自帶STM32G4 MCU是該電機控制器一大亮點，顯著降低了電機應用的開發難度，并賦予方案智能化能力。這款MCU具有豐富、特定的功能，因此是高級電機控制應用的主流選擇。同時，該處理器具有單精度浮點單元 (FPU) 、全套DSP (數字信號處理) 指令和內存保護單元 (MPU) ，支持運行性能非常卓越的電機控制算法，即使在極具挑戰性的運動控制應用中，也能在合適控制選擇方面提供出色的靈活性。
在保護功能方面，STSPIN32G4得益于集成聯鎖功能，不能同時驅動相同半橋的高側和低側開關。另一個保護功能是硬件VDS監控電路，可連續監控六個外部MOSFET中的每一個。當在其中一個上檢測到過壓時，它會關閉所有柵極驅動器輸出。過壓閾值通過專用的SCREF引腳設置。
出色的性能讓STSPIN32G4可以廣泛用于工業和家庭自動化，伺服驅動器和電動自行車，服務和自動化機器人，泵和風扇，以及無人機和航模等豐富場景。
如果工程師朋友對這顆器件感興趣，也可以通過ST提供的EVSPIN32G4演示板進行深入了解，貿澤電子上的制造商編號為EVSPIN32G4。
圖18：EVSPIN32G4演示板 (圖源：ST)
該演示板包括STSPIN32G4系統和STL110N10F7功率MOSFET。得益于集成的穩壓器，柵極驅動器和控制邏輯電源均可從電機電源開始生成，無需專用電路，能夠便捷全面地了解STSPIN32G4這款MCU。
豐富的接口資源是EVSPIN32G4演示板的一大優勢，擁有多達40個GPIO。同時，為了更好地適配算法，該板可配置為三分流或單分流結構，支持無傳感器和基于傳感器的控制算法。
總結
上述八款電機驅動芯片可謂是各有所長，無論是面向產品迭代迅速的消費電子領域，還是使用條件極其復雜的工業領域，或者是對產品品質要求更嚴苛的汽車領域，都能夠找到適合的方案，幫助快速打造具有市場競爭力的電機驅動方案。 |
