LKS凌鸥LKS32MC08x中压中小功率无刷电机驱动开发板简介（1）

题注：首先感谢凌鸥赠送的LKS32MC083中压中小功率无刷电机驱动开发板。

首先来看看KS32MC08x的电机驱动开发板的靓照吧

该说明适用于LKS(凌鸥简称)所有无内置预驱芯片的中压中小功率 EVB 板。

1、概述

该 EVB 板为 DC20~60V 输入，在 DC60V 时功率在 200W 以下。根据板子上 MCU 内的程可以实现无感方波、有感或无感 FOC 控制控制。支持按键启停和模拟电位器调速，串口通讯等功能。下图1所示为板子的实物图及硬件功能接口示意。

该功率底板适用于 LKS32MC081、LKS32MC082、LKS32MC083、LKS32MC087、LKS32MC088、 LKS32MC089 、 LKS32MC080 芯 片 的 低 压 中 小 功 率 EVB 板 ， 版 本 编 号 为LKS_EVB_MVPOWPRE_V1.0。

2、硬件说明

该评估板由两块板子连接而成，一块为功率底板：LKS_EVB_MVPOWPRE，一块为MCU 板，其中LKS所有无内置预驱芯片对应的MCU板都可以使用这套功率板；

下面对上图中各接口和功能做说明：

1. DC 电源输入：DC20~60V 电源输入，在 DC60V 时功率在 200W 以下；

2. 电源芯片：用电源芯片 LKS611 芯片及 78L05，分别将输入电源电压转换成 14.5V 及5V，分别给预驱芯片、MCU 及外围电路供电。跳帽的作用为接入电源，为预驱、MCU 及外围电路提供电源；

3. 电源指示灯：上电后电源正常，电源指示灯是正常；

4. MCU 板插座：P1、P2 是 MCU 接插口，连接 MCU 板；

5. START 按键：功能按键，电机启动按键。参考附件原理图；

6. STOP 按键：功能按键，电机停止按键。参考附件原理图；

7. 电位器：用于模拟调速，通过 P1 接插件连接到 MCU 引脚。参考附件原理图中模拟信号输入；

8. UART 串口：支持无线串口调试及通信。参考附件原理图中无线串口调试及通信；

9. HALL 口：用于有 HALL 的电机驱动，连接电机 hall 口，HALL 供电由 5V 提供。参考附件原理图中 hall 接口；

10. 电流采样方式选择：P5、P6、P7 三个三 Pin 插针，用跳帽进行选择电流采样模式，跳左端为 MOS 内阻采样，跳右端为三电阻采样；其中三电阻采样需要可根据实际采样增益修改匹配的电阻值。参考附件原理图中电流采样方式；

11. 电机三相输出 UVW：电机 U、V、W 三相输出。输出能力持续电流最大 15A，视MOS 管型号而定，可参考附件原理图功率模块。

注意事项：

1. 硬件上电前用万用表检测是否有短路，检测焊接是否完整，有无漏焊、连焊等情况；

2. 上电正常后。连接仿真器时应注意正负极是否对应，CLK、DIO 是否对应；

3. 当出现故障，应立即断电或用镊子使芯片复位。

EVB底板PCB：

LKS32MC083核心板PCB

3. 驱动电路设计说明

3.1. 三相驱动原理图：
  
3.1.1 功率模块



峰值电流驱动的需求针对 MOSFET 驱动器的讨论主要是考虑内部和外部因素而导致 MOSFET 驱动器产生功耗。所以需要计算出 MOSFET 驱动器的功率损耗，进而利用计算值为驱动器选择正确的封装和计算结温。

在实际应用中，MOSFET 驱动器与 MOSFET 的参数匹配，主要是按应用的需要去控制功率 MOSFET 导通和截止的速度快慢 （栅极电压的上升和下降时间）。应用中优化的上升 / 下降时间取决于很多因素，如 EMI（传导和辐射），开关损耗，引脚 / 电路的感抗，以及开关频率等。

MOSFET 导通和截止的速度与 MOSFET 栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET 栅极电容、导通和截止时间与 MOSFET 驱动器的驱动电流的关系可以表示为：

dT = (dV * C)/I

其中：

dT = 导通 / 截止时间

dV = 栅极电压

C = 栅极电容 （从栅极电荷值）

I = 峰值驱动电流 （对于给定电压值）

栅极电荷和电容及电压的关系为:

Q = C* V

上面的公式可重写为：

dT= Q/I

其中：

Q = 总栅极电荷上述公式假设电流 （I）使用的是恒流源。如果使用 MOSFET 驱动器的峰值驱动电流来计算，将会产生一些误差。MOSFET 驱动器的驱动能力通常由峰值电流驱动能力来表示。

3.1.2 设计示例：

利用下列设计参数，可以计算出 MOSFET 驱动器的峰值驱动电流：

通过 MOSFET 的数据手册查得：

MOSFET 栅极电荷 = 20 nC （Q）

需要的 MOSFET 栅极电压 = 12V （dV）

导通 / 截至时间 = 40 ns （dT）

使用前面推导的公式：dT = Q/I

I=Q/dT

I=20nc/40ns

I = 0.5A

因此 MOSFET 驱动器的电流驱动能力不应小于 0.5A.

3.1.3 驱动电阻 R 大小的确定为了减少死区时间对控制性能的影响，总是希望设置的死区时间要越小越好，但过小的死区时间会引起上下管直通，损坏功率管。一般死区时间选择在 500ns~2500ns之间。MOSFET 的 GS 之间存在的电容叫栅极电容 C，管子驱动电流越大，这个栅极电容 C 也越大，一般在 1-10nf 之间，同时需要考虑驱动电路上的等效电容和弥勒效应引起的电容。

电容的充放电时间计算：

假设有电源 Vu 通过电阻 R 给电容 C 充电，V0 为电容上的初始电压值，Vu 为电容充满电后的电压值，Vt 为任意时刻 t 时电容上的电压值，那么便可以得到如下的计算公式：

Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – exp( -t/RC)]

如果电容上的初始电压为 0，则公式可以简化为：

Vt = Vu * [1 – exp( -t/RC)] （充电公式）

当 t = RC 时，Vt = 0.63Vu；

当 t = 2RC 时，Vt = 0.86Vu；

当 t = 3RC 时，Vt = 0.95Vu；

当 t = 4RC 时，Vt = 0.98Vu；

当 t = 5RC 时，Vt = 0.99Vu；

可见，经过 3~5 个 RC 后，充电过程基本结束。

当电容充满电后，将电源 Vu 短路，电容 C 会通过 R 放电，则任意时刻 t，电容上的电为：

Vt = Vu * exp( -t/RC) （放电公式）

t=RC*ln[(Vu-V0)/(Vu-Vt)](电容充放电时间公式)

3.1.4 驱动器内阻大小

表 1 显示了 LKS560 驱动器静态电器参数的典型示例

3.1.4  R计算实例

表 2 显示了 中航 065N08N 型号 MOSFET 的栅极电容在数据手册中的典型示例。

利用 Q = C * V 关系式，我们得到栅极总电容为 C= 4.7 nF

以设计从 MCU 发出驱动信号到 LKS560 后到 MOS 导通需要在 1200ns 内导通为例，通过查表 3 得到驱动器自身会产生 700ns 的延时，死区时间 200ns, 因此驱动电路的上升沿时间需要控制在 300ns 以内。

为简化计算，这里使用 3RC 作为驱动电路上升沿时间。则有：

3RC = 300ns

R = 100ns/4.7nf

R = 21Ω

注意这个时候得到的电阻是包含了驱动器自身内阻的总电阻。

LKS560 的等效电阻为 10Ω, 则外部串联的电阻 Rs = 21-10 = 11Ω

选型原则：

1. Mosfet 输出电流越大，则栅极电容越大，那么 Rs 取值要减小，反之 Rs 就要增加；

2. Rs 增加会减小驱动电流，延长驱动时间，减小 EMI 干扰，但会增加上下管直通风险，要确保没有直通情况出现；

3. Rs 减小会加大驱动电流，减小驱动时间，但会加大 EMI 干扰，过大的 dI/dT 也会引起功率管承受的更大反电势电压，造成功率管损坏。

为了防止弥勒效应引动的 MOSFET 二次开通，MOSFET 的 GS 端通常要并一个电容，一般在 1nF~10nF 之间；集成预驱的电源线/地线，建议从电源端单独供电，不能跟同网络的其他应用电路混用以免造成干扰

审核编辑：刘清