BLDC电机驱动芯片的选型和外围电路设计

来源：硬件那点事儿

BLDC电机没有传统的电刷和换向器，定子上缠绕线圈，转子上裝有永磁体。它使用电子速度控制器ESC来替代机械换向，实现电流的切换，驱动电机旋转。ESC根据转子的位置，精确地向定子线圈通电，产生旋转磁场，拖动永磁体转子跟着旋转。主要控制方式有方波控制六步换相和高性能的FOC磁场定向控制。今天以MPS新推出的MPQ6547A为例，教大家从0到1，搞懂BLDC电机驱动芯片选型和外围电路设计。

另外，阅读原文贴一个他们官方对这颗料的介绍，感兴趣可以自己去扫一眼。

1.MPQ6547A关键特性总览

MPQ6547A是MPS推出的一款三相无刷直流BLDC电机功率级驱动芯片，满足AEC-Q100车规认证，是真车规级芯片！

MPS兜里怎么什么片子都有

MPQ6547A工作电压范围4V至32V，覆盖了典型的12V/24V汽车电池系统，工作电压范围还是蛮宽的，当然坏处也是有的，芯片成本会略高，毕竟耐压过高，芯片的成本也是越高的，当然如果出货量大的话，这点成本也能抵消。MPQ6547A内部集成了6个NMOS，组成完整的三相半桥，所以可以直接驱动电机绕组，最大峰值电流高达5.5A，注意此处是最大峰值电流，你可别当成长时电流了，芯片只能短时工作在5.5A，而且和散热设计有关，你散热差的话，那5.5A就够呛了，后面我们再讲散热设计，峰值电流大的话意味着芯片具有更高的瞬间电流输出能力，适用于需要快速启动或短时高扭矩的应用。这个芯片最大的特色莫过于它内部的每一个半桥的GND引脚都引出芯片外部的独立PIN脚上，这样就可以通过在外部放置采样电阻，通过采集电阻上的电压来实现采集电流的目的。

2.极限参数

芯片的极限参数，我们一定要关注，因为极限参数是芯片的底线，越过了这个底线，芯片损坏那就避免不了，比如VIN最大电压是40V，那么电源输入VIN上总会有浪涌，或者大的脉冲，超过40V，那就是家常便饭，所以建议放个TVS给芯片保命，比如24V系统的车上的就需要基于ISO7637标准进行各种脉冲测试。

3.电气参数

汽车里的ECU控制器一般会有静态电流要求，MPQ6547A支持低功耗SLEEP模式，睡眠电流最大值仅为10.5uA。

还有一点我们需要注意芯片虽然支持PWM控制，但是最大PWM频率不能超过200KHz。

芯片支持欠压保护，过流保护，需要注意电机的最大电流不要超过6A，否则就会触发芯片的过流保护，那么芯片就无法正常工作了。

下图是MPQ6547A的芯片内部框图，我们要想掌握一个芯片，一定要关注芯片的内部框图，这样就能快速的掌握这个芯片的基本工作原理以及需要注意的事项，比如下面的框图我们可以可出芯片内部有6个NMOS，这6个NMOS是通过CP电路驱动的，CP电路就是升压电路，通过上面的电气参数，CP电路可以把CP电压升高，比VIN电压高3.5V，CP电路要想正常工作，需要在外部放一个CP电容，那为啥不把这个电容做到芯片内部呢？因为CP电容容值一般较大，体积也比较大，做到芯片里面太占地方了，简单点来说就是碍事，所以一般是需要放置在芯片外部的。

同时我们通过框图也能看出芯片是通过两个比较器实现欠压和过流检测的，过流是通过检测半桥NMOS两端的压降来实现的，当过流时，MOS两端压降会增大，当超过一定阈值时，芯片就会关断MOS，实现自保。

4.如何解决感性负载放电问题？

驱动BLDC电机时，当驱动芯片输出关断时，电机就像一个大电感，会继续放电，那么电感里储存的能量一般会流过MOSFET的体二极管，由于MOSFET的体二极管正向导通压降是比较大的，那么功耗P=V*I，此时芯片就会有比较大的发热，严重的话会损坏芯片。

MPQ6547A是如何解决这个问题的呢？它具有同步整流功能。

当HS和LS MOSFET都处于关断状态时，如果Sx输出引脚上的电压低于地电压，则LS MOSFET导通，直到流过它的电流接近于零，

比如同样是1A电流，假定体二极管压降是1V，MOSFET导通电阻是85mΩ，

LS MOSFET不导通的功耗：

P=1A*1V=1W

LS MOSFET导通的功耗：

P=1A1A85mΩ=0.085W

一般电机驱动的芯片都需要软件加一下特定控制逻辑来配合解决这个问题，这个芯片就不需要了，自己解决，从而可靠性会更高。当然如果Sx引脚上的电压高于VIN，则HS MOSFET会自动导通，直到电感放电电流接近于零。

还有一点要注意的是MPQ6547A的过流保护功能是自动重启的，也就是说当芯片检测到过流后，会自动关断输出，但是10ms后芯片会重新打开，如此周而复返的重复，这一点的好处是避免了有时候电机电流不稳，误触发过流保护，导致电机彻底不动了。搭配芯片的nFAULT故障诊断脚，我们就可以做一些诊断策略，比如出现多少次过流故障，就关闭输出。

5.外围电路设计

5.1.CP电容

前面我们说过MPQ6547A是通过CP电路驱动高侧MOSFET的，这就需要我们在CP脚加一个1uF的电容，电容选型要关注两个电，一个是容值，一个是耐压，容值小了，会导致驱动能力不够，电压低了，电容可能会烧坏，那容值如何计算？这个咱们可算不了，都是厂家算好了，毕竟内部的CP电路原理没开放给咱们，我们按datasheet选就好了。

5.2.采样电阻

前面我们也说了，我们可以在GND上串联采样电阻来采集电流，采样电阻选型要关注两点，一个是阻值，另一个是功率，阻值不能太大，要确保I*R<0.2V，功率的话就可以用下面的公式计算：

5.3.VIN去耦电容

VIN上的电解电容用于降低MOS在高频开关条件下的纹波电流，电容选型要考虑ESR，所以一般是电解电容搭配MLCC电容来降低VIN的纹波，注意电容一定要靠近器件VCC引脚放置，这对EMC里的传导测试很关键。

这个电容容值关系到去耦，降低感性负载电机工作导致的VCC纹波电流，降低电流波动期间线束杂散电感导致的VCC电压波动，要考虑的因素比较多，计算也比较复杂，建议参考datasheet建议放置，不要自作聪明想着少放节约成本。