有刷电机驱动芯片的电流输出特性,如何增强驱动峰值电流?

描述

  近年来,随着人们健康意识的增强,亚健康、中国老年、商旅办公等人群的扩大,以及智能化按摩椅产品的不断更新升级,具有良好按摩保健功效的按摩椅正逐步获得广大消费者的认可。从电机的种类上来看,有刷电机因其简单的控制方式和优良的转矩控制特性,在调速领域一直占有主导地位。为了提高功率,按摩椅中的驱动往往采用12/24V有刷电机,考虑到电机运转中的瞬态电压,往往会采用40-50V耐压范围的驱动芯片。

  本文会着重介绍TI集成MOSFET的有刷电机驱动芯片的电流输出级特性,以及如何增强驱动峰值电流。

  有刷电机驱动芯片的电流输出

  电流输出

  图表 1:DRV8840输出级

  由于在按摩椅的使用场景中,经常会遇到重载启动或高转矩运转的情况,下面先对有刷电机驱动的输出电流部分进行分析:

  有刷电机的速度由加在电机电枢两端的电压决定,方向由芯片内部集成的H桥来控制,速度越快时产生的反电动势越大。下面公式中I为流过电机线圈的电流,U为电机两端外加电压,E为反电动势,R为线圈电阻。

  电流输出

  当电机堵转或者刚启动时,速度为0则反电动势为0,此时电流最大,对应了驱动芯片带载能力。为了避免堵转时电流过大烧毁电机,TI的BDC驱动芯片都具有限流功能,以DRV8840(图表1)为例,通过在ISEN引脚上串联一个采样电阻,将这个电压与参考电压VREF进行比较,得到限流阈值:

  电流输出

  这个大电流会通过Rsense采样电阻,往往这个电阻会采用毫欧级别的功率电阻,占板面积较大。并且在按摩椅的一些应用场合中需要采集此电流值,来判断电机的输出扭矩,这时还需要一颗额外的运放以增大ADC的输入阻抗,再通过ADC来实现电流采集。在传统的有刷电机驱动应用中,这种方式最为普遍,占用的PCB板面积也最大。

  有刷电机驱动芯片新特性

  在TI最新的50V耐压的有刷电机驱动芯片中,例如DRV8256(图表

2),内部采用了电流镜的技术,在启动期间和高负载事件中,集成电流感测可实现通过驱动器调节电机浪涌电流。结合可调外部电压基准Vref,可设置电流限值。

  这种技术无需大功率分流电阻器,可以节省电路板面积并降低系统成本,但也失去了预留在外的电流路径,这样对于一些需要采集总电流的场合也不适用。值得注意的是无法在OUT1和OUT2引脚之间,再串接采样电阻,这个电流是双向变化的,同时对地共模电压也非常高,无须也没必要再额外引入一路浮地的运放和电源。同样也不建议在PGND引脚和地之间串接采样电阻,这样会破坏PGND(功率地)和GND(逻辑地)之间的电势差,导致控制逻辑出错。

  电流输出

  图表 2:DRV8256输出级

  又或者参考TI另一颗有刷电机驱动芯片DRV8251A(图表3),芯片内部的电流镜将通过下管MOSFET的电流镜像成一个电流源,缩小一个AIPROPI(uA/A)系数,通过外接在IPROPI引脚上的一个大电阻(kΩ)转换成一个电压值VIPROPI,再接入ADC的输入端进行电流采集。这种比例电流镜的方式不但省去了一个mΩ级的大个头采样电阻,内部电流源产生的采样电压专供采样电阻,输入阻抗足够大,可以直接进ADC采样端。

  电流输出

  图表 3:DRV8251A输出级

  并联驱动芯片以提高带载能力

  由于TI的有刷电机驱动芯片内置MOSFET,Rds-on决定了持续电流通过时的发热量,当温升超过节温限制时芯片将强制进入OTP保护,并在温度回落或者固定时长后autoretry。当负载的电流需求超过了单颗有刷电机驱动芯片的电流峰值时,除了了选用更大封装,优化散热盘layout之外,还有一种并联驱动芯片以提高电流输出能力的方法。

  如图表4所示:将两颗相同的DRV8251A输入和输出级并联,电流会均分到两颗芯片内部的H桥中,在不触发过流保护的前提下增加了输出端的驱动能力。

  电流输出

  图表 4:并联DRV8251A提高电流输出能力

  在调整芯片限流值时有以下两点需要注意:

  前面提到的芯片限流值由IPROP和Vref两个引脚上的电压比较决定的,一般会使用同一个3V电源轨来对Vref引脚进行供电。如果分别对两颗芯片进行电流采样,且采样电阻上使用的是常见的1%精度的贴片电阻,往往会在IPROP引脚上引入一个最高2%的误差,这会意味着两颗芯片的限流值不同。

  不同芯片中H桥的MOSFET内阻并不完全一致,如果仅将输入输出引脚并联,会导致电流无法平均流向两颗芯片。叠加以上两点,限流值不同的两颗芯片驱动能力并不是简单的相加关系,一颗芯片进入限流状态时由于负载过大,会导致另一颗芯片也进入限流状态。

  一个简单的解决方案是将两颗芯片的Vref引脚用同一个电源轨供电,将IPROP引脚连到同一个采样电阻上,这样可以保证两颗芯片的限流值一样,输出电流也呈线性关系。

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