电机驱动板硬件设计指南

本文从器件选型、原理图设计及PCB layout等几个方面全面的介绍电机驱动板设计需要注意的事项，文末提供了RZ系列的两个电机驱动的demo供参考。

1器件选型

选择元器件时要全面检查尺寸、价格、供货情况、特性、额定参数、认证等。下面是通用器件的选择原则。

电阻：

选择电阻时，请注意以下几点。

流过大电流的电阻，需要确认主要功率是否能满足要求。

在高压电路中，要考虑爬电距离、最大工作电压、瞬时过载等因素，必要时考虑采用串联方式。

检查VBUS与GND等之间的爬电距离是否符合设计要求。对于施加高压的部分，根据确定的爬电距离规则选择元件尺寸。

电容：

选择电容器时，请注意以下几点。

原则上尽量选择表贴器件（SMD）产品，而非双列直插式封装（DIP）产品。

一般来说，小容量的选择陶瓷电容，大容量且有极性要求的选择电解电容，大容量但无极性要求的选择薄膜电容。

对于高容量、高耐压的陶瓷电容（如1uF、25V及以上等），需考虑直流偏压特性。（建议使用电压为标称容量值的7%及以上。）

注意电容的高度方向，确保其不会与外壳或其他元件发生干涉。

计算纹波电流并检查是否存在问题。同时要考虑额定温度、使用寿命等因素。

电感：

选择电感时，请注意以下几点(功率因数校正线圈和噪声滤波线圈等大型线圈除外）。

尽量选择表贴器件（SMD）产品，而非双列直插式封装（DIP）产品。

如有可能，选择带屏蔽的电感器以抑制噪声。

选择谐振频率远高于使用频率的电感。

为减少损耗，选择品质因数（Q值）大的电感。

计算流过电感的电流峰值，确保不会发生磁饱和。

2电路设计

驱动板框图

一个完整的电机驱动板功能框图如下图所示。AC100V~240V电源输入到逆变器板后，通过 PFC（功率因数校正）电路对输入电压进行功率因数进行校正并升压，然后通过逆变电路将其转换为直流/交流，以驱动电机。一些电路板没有配备PFC电路。

PFC电路介绍

PFC电路是一种用于改善功率因数并抑制输入谐波电流的电路。通过提高功率因数，可以减少无功损耗，从而降低整流电路的总体损耗，但由于PFC电路本身也存在损耗，因此整体损耗并不会下降。

PFC电路大致可分为被动PFC、部分开关PFC和主动PFC。如果需要较高的功率因数，则采用主动 PFC。本文档介绍了主动PFC（包括单路PFC和交错并联PFC）。

单路PFC由一组开关元件、二极管和电感组成，而交错PFC则由两组这样的元件构成。虽然开关频率决于所使用的开关元件的特性，但通常设计为几十千赫兹（kHz）。

逆变电路

逆变器电路是一种通过将直流电压转换为交流电压来驱动电机的电路。

逆变电路可以使用智能功率模块也可使用分立元件，如MOSFET，IGBT或者其他宽禁带功率器件等。

逆变电路工作时，会有较大的开关电流流经 VBUS。因此，在靠近逆变器电路的VBUS上通常会放置一个约1微法（1μF）的薄膜电容器。

根据电路板布局的不同，开关操作可能会引起振铃现象，因此在必要时可以添加吸收电路（Snubber Circuit）以降低噪声。

过流检测电路

当U、V和W三个相位中的任意一个电流超过阈值时，过电流检测电路会判断电流为过电流。

电流检测电路

电流检测是电机控制所必需的，可以通过采样电阻或霍尔传感器进行检测。使用采样电阻进行检测时，可以使用三电阻检测或者单电阻检测。

采样电阻可以高端放置或者低端放置，考虑到实际成本推荐放置在低端功率管和地之间。

在使用采样电阻时信号采用差分方式或者使用delta-sigma电路，因为这样可以最大限度地减少噪声的影响。

3PCB布板

器件整体布局

整体布局时需要考虑如下几点：

将电源系统、信号系统和电源供应分开，并进行元件布局。

元件布局应使大电流回路走向合理。

确定功率器件及散热器的连接方式。

考虑高度限制，确保不超出外壳高度。

考虑产品名称、型号等丝印位置，避免被遮挡。

钻螺丝孔时，也要注意避开爬电距离。

下图是一个驱动板的布局示例：

布线注意事项

电机驱动板是一个大电流开关的电路。大电流电路要注意采用粗且短的布线。高压线路要保证爬电距离，并且注意不要并行布线。由于逆变器输出线路在切换时会发生电位变化，应尽量避免在内层和外层重叠，以免与其他线路产生电容耦合。具体需注意的要点如下：

1走线越宽越好。因为流经电机驱动板的电流很大（有时超过10A甚至更大），所以应仔细考虑接入芯片的PCB走线宽度。

计算线宽时需要考虑到温度的因素：走线宽度是电阻和电流等变量的函数，同时取决于允许的温升。通常，允许在25°C的环境温度下温升10°C。如果电路板材料和设计允许，甚至可以允许温升20°C。对于走线宽度我们可以用如下公式计算：

其中用于IPC-2221内层时：k=0.024、b=0.44、c=0.725；

用于IPC-2221外层时：k=0.048、b=0.44、c=0.725，

k、b和c时由对IPC-2221曲线进行曲线拟合得出的常数。

2大电流线路换层时，需要根据电流大小放置足够多的过孔，如下所示

过孔孔径和通过电流之间的关系如下：

孔径（mm）	电流（A）
0.3	0.4
0.4	0.53
0.5	0.67
0.6	0.81

3大容量电容尽量靠近电源放置，大容量电容尽量选用低等效串联电阻（ESR）的。

4电感晶振等器件的背面不要放置器件。

5旁路电容尽量靠近芯片电源和接地放置，引脚之间不要放置过孔。

6模拟信号和通信信号用地互相屏蔽。

7屏蔽线按等间隔设置过孔。

8为减小布线阻抗电流传感器电阻应该靠近功率管放置。

4瑞萨电机驱动demo

下面是瑞萨提供的关于RZ产品系列的电机驱动demo，设计电路的时候可根据情况参考。（您可复制下方链接至浏览器，或扫描二维码查看）

RZ/T2M-MOTOR-SOLUTION-KIT - RZ/T2M Motor Solution Kit | Renesas

https://www.renesas.com/en/design-resources/boards-kits/rz-t2m-motor-solution-kit

CN032-ACSERVO - RZ/T2M，RZ/T2L， RZ/N2L Motor Solution Kit (AC 220V Version) | Renesas

https://www.renesas.com/en/design-resources/reference-designs/cn032-acservo

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