高度集成的半導體產(chǎn)品不僅是消費類(lèi)產(chǎn)品的潮流，同時(shí)也逐步滲透至電機控制應用。與此同時(shí)，無(wú)刷直流（BLDC）電機在汽車(chē)和醫療應用等眾多市場(chǎng)中也呈現出相同態(tài)勢，其所占市場(chǎng)份額正逐漸超過(guò)其他各類(lèi)電機。隨著(zhù)對BLDC電機需求的不斷增長(cháng)以及相關(guān)電機技術(shù)的日漸成熟，BLDC電機控制系統的開(kāi)發(fā)策略已逐漸從分立式電路發(fā)展成三個(gè)不同的類(lèi)別。這三類(lèi)主要方案劃分為片上系統（SoC）、應用特定的標準產(chǎn)品（ASSP）和雙芯片解決方案。

 

這三類(lèi)主要方案均能減少應用所需的元件數并降低設計復雜度，因此正逐漸受到電機系統設計工程師的青睞。不過(guò)，每種策略都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文將論述這三種方案及其如何在設計的集成度和靈活性之間做出權衡。

圖1：典型的分立式BLDC電機系統框圖

 

基本電機系統包含三個(gè)主要模塊：電源、電機驅動(dòng)器和控制單元。圖1給出了傳統的分立式電機系統設計。電機系統通常包含一個(gè)簡(jiǎn)單的帶集成閃存的RISC處理器，此處理器通過(guò)控制柵極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)外部MOSFET。該處理器也可以通過(guò)集成的MOSFET和穩壓器（為處理器和驅動(dòng)器供電）來(lái)直接驅動(dòng)電機。

 

SoC電機驅動(dòng)器集成了上述所有模塊，并且具有可編程性，能夠適用于各類(lèi)應用。此外，它還是因空間受限而需要優(yōu)化的應用的理想選擇。但是，其處理性能較低且內部存儲空間有限，因此無(wú)法應用于需要高級控制的電機系統。SoC電機驅動(dòng)器IC的另一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)工具有限，例如缺乏固件開(kāi)發(fā)環(huán)境。大多數業(yè)界領(lǐng)先的單片機供應商均提供種類(lèi)繁多的易用工具，這一點(diǎn)與之形成鮮明對比。

 

ASSP電機驅動(dòng)器面向某一特定領(lǐng)域設計，一切都針對某個(gè)狹義應用而優(yōu)化。其占用空間極小且無(wú)需軟件調節。此外，它還是空間受限應用的理想選擇。圖2給出了10引腳DFN風(fēng)扇電機驅動(dòng)器的框圖。由于A(yíng)SSP電機驅動(dòng)器通常專(zhuān)注于大批量生產(chǎn)應用，因此往往擁有出色的性?xún)r(jià)比。不過(guò)，這并不意味著(zhù)依靠ASSP 驅動(dòng)器運行的電機需要犧牲性能。例如，大多數現代ASSP電機驅動(dòng)器能夠驅動(dòng)采用無(wú)傳感器和正弦算法的BLDC電機，而過(guò)去則需要使用高性能單片機才能實(shí)現這一點(diǎn)。但是，ASSP產(chǎn)品缺乏可編程性且不能調節驅動(dòng)強度，這會(huì )限制其適應日益變化的市場(chǎng)需求的能力。

圖2：獨立式風(fēng)扇電機驅動(dòng)器框圖

 

盡管高集成度是當今電子產(chǎn)品的一大趨勢，但仍有大量應用對具有豐富模擬驅動(dòng)器和智能模擬單片機的雙芯片解決方案的需求不斷增長(cháng)。雙芯片策略允許設計人員從各種單片機中進(jìn)行選型，支持采用梯形或正弦驅動(dòng)技術(shù)的有傳感器換向或無(wú)傳感器換向。采用此方案時(shí)，配套驅動(dòng)器芯片的選擇至關(guān)重要。理想的配套芯片至少應包含以下特性：

 

高效的可調節穩壓器，用于降低功耗并為各類(lèi)單片機供電

 

監視和后臺處理模塊，確保電機安全運行并允許主機與驅動(dòng)器之間進(jìn)行雙向通信

 

可優(yōu)化性能的可選參數，無(wú)需投入額外的編程工作量

 

適用于MOSFET或BLDC電機的額定功率驅動(dòng)器

圖3給出了雙芯片解決方案示例，其搭配使用功能豐富的三相電機驅動(dòng)器與高性能數字信號控制器（DSC）來(lái)驅動(dòng)六個(gè)N溝道MOSFET，實(shí)現了永磁同步電機（即PMSM，一種無(wú)刷電機）的磁場(chǎng)定向控制。如果簡(jiǎn)單的六步控制架構已經(jīng)足夠，則可以使用成本低廉的低檔8位單片機來(lái)替代DSC。當選擇具有近似額定功率的BLDC電機時(shí)，即便不改變驅動(dòng)電路也能實(shí)現上述控制。

圖3：具有外部MOSFET的雙芯片BLDC解決方案

 

總的來(lái)說(shuō)，采用SoC和ASSP電機驅動(dòng)器時(shí)，電機系統設計人員不僅使用的元件數最少，而且靈活性也可達中等程度。但是，這類(lèi)高度集成的解決方案各自有不同的局限性，例如固定的功能、有限的存儲容量和處理能力。表1比較了上述三種主要的BLDC電機控制策略。

表1：BLDC電機控制策略比較

 

與分立式設計相比，現代電機控制與驅動(dòng)解決方案不僅降低了物料成本，而且縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)對構建針對所選BLDC電機進(jìn)行優(yōu)化的系統沒(méi)有影響。半導體供應商提供的硬件以及固件參考設計和庫可極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而加快將高級電機控制和驅動(dòng)概念投入市場(chǎng)的步伐。