基于限流保護(hù)的高功率智能驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

文/李光學(xué) 孫宇偉 徐志書 徐巧童

無刷電機(jī)具有壽命長、維護(hù)成本低、可靠性高、效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是用于驅(qū)動(dòng)和控制直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能，由于無刷電機(jī)脈動(dòng)電流較大，特別是換向過程中，尖峰脈沖電流容易造成功率管瞬時(shí)過熱，從而燒毀功率開關(guān)管，針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于限流保護(hù)的驅(qū)動(dòng)模塊，從工作原理，電路方案，限流保護(hù)，工藝方案等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析了導(dǎo)致功率管燒毀的主要因素，該驅(qū)動(dòng)模塊可智能調(diào)節(jié)PWM脈寬，將峰值電流限定在一定范圍，降低發(fā)熱，提高功率密度，相對于傳統(tǒng)的限流模式，可保證電流輸出不斷續(xù)，還可實(shí)現(xiàn)單電源供電。

1 電路方案設(shè)計(jì)

根據(jù)直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理，進(jìn)行了相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路主要由穩(wěn)壓電路、輸入電路、邏輯轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、三相橋電路、限流保護(hù)電路、隔離電路等組成。電路原理框圖如圖1所示。

當(dāng)功率電源輸入時(shí)，為三相橋電路供電，同時(shí)為穩(wěn)壓電路供電。經(jīng)穩(wěn)壓電路輸出一定值的電壓到各電路：輸入電路、邏輯轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路、比較電路等，同時(shí)通過Vout端和PGND端輸出為電機(jī)霍爾傳感器供電，實(shí)現(xiàn)單電源供電，霍爾傳感器通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置產(chǎn)生電壓信號(hào)，霍爾電壓信號(hào)SA、SB、SC經(jīng)過輸入電路到達(dá)邏輯轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)處理后輸出六路信號(hào)。信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路電流放大后直接驅(qū)動(dòng)三相橋電路。隔離電路將輸入的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯轉(zhuǎn)換電路可識(shí)別的信號(hào)，正常工作時(shí)，PWM調(diào)速信號(hào)輸入PWM波，占空比越大輸出電流越大，F(xiàn)/R正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入高電平或低電平。

當(dāng)外圍輸入F/R正反轉(zhuǎn)切換信號(hào)時(shí)，通過隔離電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出到邏輯處理電路經(jīng)過一系列處理，改變邏輯輸出時(shí)序，輸出到驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路輸出控制MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)序，改變電機(jī)每相繞組電壓之間的先后順序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制功能。

當(dāng)外圍輸入PWM調(diào)速信號(hào)，占空比在變化時(shí)，通過隔離電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，輸出到邏輯處理電路，然后輸出到驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路輸出控制MOS管開通和關(guān)斷。PWM調(diào)速信號(hào)占空比變大時(shí)，MOS管導(dǎo)通時(shí)間長，繞組兩端電壓有效值變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變快，當(dāng)PWM調(diào)速信號(hào)占空比變小時(shí)，MOS管導(dǎo)通時(shí)間短，繞組兩端電壓有效值變小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。最終實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速功能。

2 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)電機(jī)過載時(shí)，特別是在換向時(shí)，功率電源回路電流會(huì)急劇增大，此時(shí)通過采樣電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)比較處理后控制邏輯處理電路，邏輯處理電路則調(diào)節(jié)MOS管的開通時(shí)間，開通時(shí)間由大變小，當(dāng)MOS管開通時(shí)間變小，隨之電機(jī)繞組兩端的電壓減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，整個(gè)回路電流減小，實(shí)現(xiàn)電流限制功能。當(dāng)電源回路電流減小，限流比較電路不工作，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，以此循環(huán)形成一個(gè)閉環(huán)的限流調(diào)節(jié)功能。

過流保護(hù)電路的功能是對采集到的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較輸出電平信號(hào)，控制邏輯處理電路。電路原理如圖2所示。電路由基準(zhǔn)源電路、比較電路構(gòu)成，信號(hào)最終輸出到邏輯處理電路。

當(dāng)電路未出現(xiàn)過流時(shí)，在采樣電阻兩端的電壓與比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較器未進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，比較器輸出為高電平，對輸入的PWM波不進(jìn)行斬波。當(dāng)電路中出現(xiàn)過流時(shí)，在采樣電阻兩端的電壓與比較器的電壓基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出為低電平，此時(shí)的低電平與PWM信號(hào)通過與邏輯門電路輸出信號(hào)為低電平。輸出到門極驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端，門極驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端也相應(yīng)輸出低電平信號(hào)，MOS管關(guān)斷，輸出電流減小，如此循環(huán)形成一種閉合控制，輸入與輸出波形圖詳見圖2所示。

3 高功率密度設(shè)計(jì)

為避免驅(qū)動(dòng)模塊燒毀，降低脈沖尖峰電流是一個(gè)方面，另外一個(gè)方面是通過材料的選取及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好的散熱，進(jìn)一步提高功率密度，本設(shè)計(jì)采用PCB板和陶瓷覆銅板表面貼裝，金屬外殼灌膠平行縫焊封裝，采用高壓大電流低導(dǎo)通電阻功率管，在結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用了多次層布線技術(shù)以提高組裝和布線密度，在結(jié)構(gòu)上分為功率部分和非功率部分，功率部分采用氮化硅陶瓷覆銅基板放置元器件，非功率部分采用PCB板放置信號(hào)處理類的元器件，為了減小產(chǎn)品體積，實(shí)現(xiàn)高密度組裝，產(chǎn)品內(nèi)部采用上、下層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文針對直流無刷電機(jī)脈動(dòng)電流大的問題，設(shè)計(jì)了一種基于限流保護(hù)的驅(qū)動(dòng)模塊，其可根據(jù)限流大小智能調(diào)節(jié)PWM脈寬，避免燒毀功率開關(guān)管，從而降低發(fā)熱，提高功率密度，相對于傳統(tǒng)的限流模式，可保證電流輸出不斷續(xù)。該方案可靠，便捷，通用性好，具有良好的推廣價(jià)值。

圖1：電路原理框圖

圖2：限流保護(hù)電路及邏輯波形

圖3：結(jié)構(gòu)示意圖