电机驱动IC使用内置系统故障诊断来减少磁场返回

BridgeSwitch 将高效率、设计灵活性、增强的安全性、IEC 60335-1 和 IEC 60730-1 合规性与故障诊断相结合。

不断提高消费电器中电机驱动器的效率和可靠性的要求越来越多地挑战设计人员。从欧盟到中国，越来越多的消费电器需要更高的效率，包括洗碗机、冰箱以及供暖、通风和空调 (HVAC) 系统。1,2设计还必须符合 IEC 60335-1 和 IEC 60730-1 安全要求。

与此同时，消费者和制造商都要求更高水平的可靠性——更少的现场服务和更少的退货。根据最近的一项行业研究，误诊导致 30% 的压缩机退货“未发现故障” 3 ，这增加了整个供应链的成本和效率低下，并导致消费者不满意。利用物联网可以实现对消费电器的远程监控，但设计必须支持有意义且具有成本效益的故障诊断系统和保护功能。

为了应对这些挑战，设计人员可以求助于 Power Integrations 的 BridgeSwitch 系列、高压、自供电、半桥电机驱动器 IC，它们具有集成保护、系统监控和报告功能，可提供更高的效率、更高的设计灵活性并增强逆变器和系统可靠性（图 1）。

图 1：BridgeSwitch 将高效率与广泛的故障监控和报告（蓝色文本）相结合，以提高系统和逆变器的可靠性。

高效率简化了热管理

BridgeSwitch 集成半桥简化了高压、逆变器驱动、单相或三相永磁或无刷直流电机驱动器的开发和生产。BridgeSwitch IC 包括一个专有的瞬时相电流输出信号，有助于设计无传感器控制方案。这些 IC 包括两个 600V、N 沟道功率 FREDFET，带有高侧和低侧驱动器，采用小外形、表面贴装封装 (13.6 × 9.4 × 1.35 mm)，可提供更长的爬电距离并允许冷却通过印刷电路板为 FREDFET 供电（图 2）。

图 2：BridgeSwitch InSOP-24C 封装的底视图显示了延长的爬电距离（右下方）以及高侧和低侧 FREDFET 的冷却垫。

FREDFET 中的超软和超快二极管针对硬开关逆变器驱动进行了优化。高侧和低侧控制和驱动器是自供电的，无需外部辅助电源。分布式热足迹与高达 99.2% 的效率相结合，在额定连续 RMS 电流下无需外部散热器，从而降低了系统成本、尺寸和重量。BridgeSwitch IC 可提供高达 400 W 的输出功率，非常适合用于洗碗机和冰箱等电器的逆变器以及高效空调中的冷凝器风扇。

基于硬件的故障保护节省认证成本和时间

大多数逆变器设计中的微控制器 (MCU) 用于监控故障条件并对其做出反应，以及控制电机。使用标准软件包实现电机控制简单且相对快速。故障诊断和保护更具挑战性，并且因应用而异，因为它们依赖于各种不同的传感器来监控相电流、系统过热条件、振动和其他系统参数。对 MCU 进行编程以解释传感器输入并以获得国际标准认证所需的适当方式实施保护是很复杂的。

对监控软件进行认证是一个耗时且成本高昂的过程，通常会延迟上市时间。另一方面，BridgeSwitch IC 中基于硬件的电机故障保护符合 IEC 60335-1 和 IEC 60730-1 的电机异常运行要求，无需依赖软件进行控制，从而降低成本并加快上市时间。4由此产生的使用符合 IEC 60730-1 的 A 类软件指定的能力可以节省两个月的认证时间，而且使用 BridgeSwitch IC 还简化了产品软件更新的安全审批流程。

BridgeSwitch 通过双向故障总线将全面的内部故障保护功能与外部系统级监控和报告相结合（图 3）。内部故障保护包括两个 FREDFET 的两级热过载保护和硬件可编程逐周期过流保护。系统级监控包括高压直流总线上的四个欠压电平和一个过压电平，以及负温度系数温度传感器、振动传感器等外部传感器，以及检测电机失速、电机断相的能力，或运行过载。

图 3：BridgeSwitch IC 集成了故障诊断、双向故障总线以及报告和硬件保护，以提高可靠性。

单线故障总线基于开漏架构，使 BridgeSwitch IC 能够使用 8 位字发送状态更新，其中第 8 位提供奇校验以确保信号完整性。MCU 也使用它来发送：

对 BridgeSwitch IC 的命令

查询 BridgeSwitch IC 以获取状态更新

对因过热故障而锁定的 IC 的复位命令

ID 引脚用于在上电时为每个 BridgeSwitch IC 设置唯一的 IHB 标识，使 MCU 能够识别哪个 IC 提供了给定的故障警报：IHB1 的 ID 引脚连接到 BPL，ID 引脚为 IHB2 悬空，并且ID 引脚连接到 IHB3 的 SG（图 4）。此外，设置每个 IC 的 IHB 标识支持使用设备 ID 时间段 (t ID )在单线总线上进行仲裁。HB1 的ID为 40 µs，HB2的 t ID为 60 µs，HB3 的 t ID为 80 µs。系统 MCU 被分配了一个 160 µs 的默认 t ID，确保它始终赢得总线仲裁。

图 4：BridgeSwitch 状态报告将单线故障通信总线与设备 ID 编程（绿色）相结合。

电机专家套件加快上市时间

Power Integrations 的 Motor-Expert 软件套件具有速度和电流控制回路功能，包括嵌入式 C 代码应用程序、库和控制 GUI，支持使用 BridgeSwitch IC 的单相和三相设计。5它通过为所有参数和命令提供图形界面以及用于以串行模式与电机控制器交互的终端仿真器来加快上市时间。Motion Scope 窗口显示控制器变量的实时线性图。可以添加新功能和用例，用户可以轻松地将软件移植到 MCU。该软件仅需要 14 kB 的代码内存和 5 kB 的 SRAM，使其适合在内存资源有限的 MCU 上运行。使用 Motor-Expert 开发的软件满足延迟、抖动和执行时间的静态 (MISRA) 和动态性能要求。

结论

设计人员可以求助于具有内置系统故障诊断功能的 BridgeSwitch IC，以减少现场退货并加快产品上市时间。这些自供电半桥电机驱动器 IC 可提供现代消费电器所需的高效率、设计灵活性以及增强的逆变器和系统可靠性。广泛的基于硬件的保护功能可节省认证时间和成本。这些 IC 符合 IEC 60335-1 和 60730-1 标准，如 UL 报告 4788685352 中所述。ID 引脚使 MCU 能够查明故障位置。最后，使用 Motor-Expert 设计软件可进一步加快 BridgeSwitch IC 的单相和三相应用的上市时间。

审核编辑：汤梓红