MCT8316Z-Q1：三相无刷直流电机驱动芯片的全方位解析

在电机驱动领域，高性能、集成化的驱动芯片一直是工程师们追求的目标。MCT8316Z - Q1作为一款专为三相无刷直流（BLDC）电机驱动设计的芯片，凭借其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中展现出了强大的竞争力。今天，我们就来深入探讨一下这款芯片的特点、应用以及设计要点。

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芯片概述

MCT8316Z - Q1集成了三个半桥MOSFET、栅极驱动器、电荷泵、线性稳压器和降压调节器，大大减少了系统的组件数量、成本和复杂性。它采用标准的串行外设接口（SPI），方便外部控制器配置各种设备设置并读取故障诊断信息；同时也提供硬件接口选项，可通过固定的外部电阻配置常用设置。此外，该芯片还具备多种保护功能，如电源欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、过温关机（OTW和OTSD）等，为电机系统的稳定运行提供了可靠保障。

产品版本差异

MCT8316Z - Q1有两个版本：MCT8316ZR - Q1（SPI变体）和MCT8316ZT - Q1（硬件变体）。它们在配置上存在一些差异，例如PWM控制模式设置、压摆率设置、电流限制配置等。具体差异如下表所示：	参数	MCT8316ZR - Q1（SPI变体）	MCT8316ZT - Q1（硬件变体）
PWM控制模式设置	PWM_MODE（4种设置）	MODE引脚（7种设置）
压摆率设置	SLEW（4种设置）	SLEW引脚（4种设置）
电流限制配置	ILIM_RECIR（2种设置），PWM_100_DUTY_SEL	续流固定为制动模式，100%占空比时PWM频率固定为20 kHz
CSA增益	CSA_GAIN（4种设置）	固定为0.15 V/A
超前角设置	ADVANCE_LVL（8种设置）	ADVANCE引脚（7种设置）
降压阈值	BUCK_SEL（4种设置）	VSEL_BK引脚（4种设置）
降压配置	BUCK_PS_DIS（2种设置）和BUCK_CL（2种设置）	电源排序启用，电流限制：600 mA，压摆率：1000 V/µs
FGOUT配置	FGOUT_SEL（4种设置）	固定为3倍换相频率
电机锁定配置	MTR_LOCK_MODE（4种设置），MTR_LOCK_TDET（4种设置），MTR_LOCK_RETRY（2种设置），EN_AAR（2种设置）和EN_ASR（2种设置）	启用锁存关机模式，检测时间为1000 ms，MODE引脚（7种设置）
OCP配置	OCP_MODE（4种设置），OCP_LVL（4种设置），OCP_DEG（4种设置）和OCP_RETRY（2种设置）	启用锁存关机模式，电平固定为16 A，消隐时间为0.6 µs
过压保护配置	OVP_EN（2种设置），OVP_SEL（2种设置）	启用，电平固定为34 V（典型值）
驱动器延迟补偿配置	DLYCMP_EN（2种设置），DLY_TARGET（16种设置）	禁用
SDO引脚配置	SDO_MODE（2种设置）	NA
SPI故障配置	SPI_PARITY（2种设置），SPI_SCLK_FLT（2种设置），SPI_ADDR_FLT（2种设置）	NA

引脚配置与功能

MCT8316ZR - Q1和MCT8316ZT - Q1均采用40引脚VQFN表面贴装封装，引脚功能丰富多样。以下是一些关键引脚的功能介绍：

• ADVANCE：超前角电平设置引脚，通过外部电阻可设置7个电平。
• AVDD：3.3 V内部稳压器输出，需连接X5R或X7R、1 µF、6.3 V陶瓷电容到AGND引脚，该稳压器可向外提供高达30 mA的电流。
• BRAKE：高电平使电机制动，低电平为正常运行。
• FGOUT：电机速度指示输出，开漏输出，需外部上拉电阻到1.8 V至5.0 V，可设置为霍尔信号的不同分频因子。
• ILIM：设置相电流阈值，用于逐周期电流限制。
• nSLEEP：低电平时设备进入低功耗睡眠模式，20至40 µs的低脉冲可用于复位故障条件。

详细特性

输出级

芯片集成了95 mΩ（高侧和低侧FET导通电阻之和）的NMOS FET，采用三相桥配置。倍压电荷泵为高侧NMOS FET提供适当的栅极偏置电压，支持100%占空比；内部线性稳压器为低侧MOSFET提供栅极偏置电压。

PWM控制模式（1x PWM模式）

提供七种不同的控制模式，支持各种换相和控制方法。在1x PWM模式下，可使用模拟或数字霍尔传感器进行位置检测，通过PWM引脚设置输出频率和占空比。该模式通常采用同步整流，但也可配置为异步整流。

设备接口模式

支持SPI和硬件两种接口模式，两种模式共享四个引脚，引脚兼容，方便应用设计师进行评估和切换。

• SPI接口：支持串行通信总线，外部控制器可通过SCLK、SDI、SDO和nSCS引脚与芯片进行数据交互，配置设备设置并读取详细故障信息。
• 硬件接口：将四个SPI引脚转换为四个可通过电阻配置的输入引脚（ADVANCE、MODE、SLEW和VSEL_BK），无需SPI总线，通用故障信息可通过nFAULT引脚获取。

降压混合模式降压调节器

集成的降压调节器可与AVDD配合，为外部控制器或系统电压轨提供3.3 V或5.0 V的稳压电源，也可配置为4.0 V或5.7 V，为外部LDO提供额外的裕量。输出电压可通过VSEL_BK引脚（硬件变体）或BUCK_SEL位（SPI变体）设置。降压调节器在轻载时具有约1 - 2 mA的低静态电流，采用脉冲频率电流模式控制方案，可减少输出电容需求，简化频率补偿设计。

电荷泵

为使输出级的N沟道FET充分增强，芯片集成了电荷泵电路，产生高于VM电源的电压。电荷泵需要两个外部电容，当nSLEEP为低电平时，电荷泵关闭。

压摆率控制

通过调节半桥MOSFET的栅极驱动电流，实现压摆率控制。每个半桥的压摆率可通过SLEW引脚（硬件变体）或SLEW位（SPI变体）进行调整，可设置为25 V/µs、50 V/µs、125 V/µs或200 V/µs。

交叉导通（死区时间）保护

为防止MOSFET交叉导通，芯片通过插入死区时间（tdead）来确保高侧和低侧MOSFET不会同时导通。通过检测高侧和低侧MOSFET的栅源电压（VGS），确保高侧MOSFET的VGS降至关断电平以下后，再开启同一半桥的低侧MOSFET。

传播延迟与驱动器延迟补偿

传播延迟时间（tpd）包括数字输入去毛刺延迟、模拟驱动器和比较器延迟。芯片内部监测传播延迟，并添加可变延迟以提供固定延迟，减少电流测量时间的不确定性和占空比失真。驱动器延迟补偿功能仅在SPI变体中可用，可通过配置DLYCMP_EN和DLY_TARGET启用。

主动消磁

芯片具有智能整流功能（主动消磁），可减少二极管导通损耗，降低设备功耗。该功能可通过MODE引脚（硬件变体）或EN_ASR和EN_AAR位（SPI变体）进行配置，分为自动同步整流（ASR）模式和自动异步整流（AAR）模式。

逐周期电流限制

当流经低侧MOSFET的电流超过ILIMIT电流时，电流限制电路将被激活，将电机电流限制在ILIMIT以下。电流限制阈值可通过配置ILIM引脚在AVDD/2至（AVDD/2 - 0.4）V之间进行调整。当电流限制激活时，高侧FET将被禁用，直到下一个PWM周期开始。

霍尔比较器

三个比较器用于处理霍尔效应传感器的原始信号，实现电机换相。霍尔比较器具有滞回特性，检测阈值以0为中心。为防止PWM噪声耦合到霍尔输入，可在霍尔输入之间添加电容。

超前角

芯片具有超前角功能，可根据ADVANCE引脚（硬件变体）或ADVANCE位（SPI变体）上的电压，将换相提前指定的电角度。

FGOUT信号

FGOUT信号为开漏输出，可用于BLDC电机的闭环速度控制。在MCT8316ZR - Q1（SPI变体）中，FGOUT可配置为霍尔信号的不同分频因子；在MCT8316ZT - Q1（硬件变体）中，默认模式为FGOUT_SEL = 00b。

保护电路

芯片具备多种保护功能，包括电源欠压锁定（UVLO）、过压保护（OVP）、电荷泵欠压锁定（CPUV）、AVDD欠压锁定（AVDD_UV）、过流保护（OCP）、电机锁定检测（MTR_LOCK）、热警告（OTW）和热关机（OTS）等。当发生故障时，nFAULT引脚将被拉低，并在SPI寄存器中记录详细信息。

应用与实现

应用信息

MCT8316Z - Q1可用于驱动无刷直流电机，设计时需根据具体需求配置外部组件，如电容、电阻、电感等。以下是MCT8316ZT - Q1（硬件变体）和MCT8316ZR - Q1（SPI变体）的主要应用原理图：

霍尔传感器配置

• 典型配置：霍尔传感器输出差分信号，可在霍尔输入之间添加1 nF至100 nF的电容，以帮助抑制电机耦合的噪声。
• 开漏配置：对于具有开漏输出的数字霍尔传感器，需添加几个电阻。负（HNx）输入通过AVDD引脚和地之间的一对电阻偏置到AVDD / 2，正（HPx）输入可能需要一个上拉电阻到VREG引脚。
• 串联配置：当每个霍尔传感器的电流需求较高（>10 mA）时，可采用霍尔传感器串联配置，由芯片内部LDO（AVDD）供电。
• 并联配置：当每个霍尔传感器的电流需求较低（<10 mA）时，可采用霍尔传感器并联配置，由AVDD供电。

典型应用 - 三相无刷直流电机电流限制控制

在该应用中，MCT8316Z - Q1用于驱动无刷直流电机，电流限制可达100%占空比。设计时需考虑以下因素：

• 电机电压：无刷直流电机通常有额定电压，芯片支持4.5 V至40 V的电源电压，较高的工作电压可获得更高的转速，较低的电压有助于更精确地控制相电流。
• 主动消磁：启用主动消磁功能可减少功率损耗，通过设置EN_ASR和EN_AAR位（SPI变体）或MODE引脚（H/W变体）来启用。

电源供应建议

大容量电容

在电机驱动系统设计中，适当的本地大容量电容至关重要。所需的本地电容数量取决于多种因素，如电机系统所需的最大电流、电源的电容和电流能力、电源与电机系统之间的寄生电感、可接受的电压纹波、电机类型和制动方法等。数据手册通常会提供推荐值，但需进行系统级测试以确定合适的大容量电容。大容量电容的电压额定值应高于工作电压，以应对电机向电源传输能量的情况。

布局指南

布局准则

• 大容量电容应尽量靠近芯片，减少高电流路径的距离，连接金属走线应尽可能宽，并使用多个过孔连接PCB层，以降低电感，使大容量电容能够提供大电流。
• 小值电容（如电荷泵、AVDD和VREF电容）应采用陶瓷电容，并靠近设备引脚放置。
• 高电流设备输出应使用宽金属走线。
• 为减少大瞬态电流对小电流信号路径的噪声耦合和EMI干扰，应将PGND和AGND分区接地。建议将所有非功率级电路（包括散热垫）连接到AGND，以减少寄生效应，提高设备的功率耗散。
• 设备散热垫应焊接到PCB顶层接地平面，并使用多个过孔连接到底层大接地平面，以帮助散发设备产生的热量。
• 为提高热性能，应最大化连接到散热垫接地的接地面积，并使用厚铜层降低结到空气的热阻，改善芯片表面的散热。
• 分离SW_BUCK和FB_BUCK走线，用接地隔离，以减少降压开关噪声耦合到降压外部反馈回路。尽量加宽FB_BUCK走线，以实现更快的负载切换。

布局示例

文档提供了VQFN封装的推荐布局示例，可作为参考。

设备与文档支持

文档支持

可访问MCT8316ZT - Q1EVM工具页面，下载相关文档，如BLDC集成MOSFET热计算器工具、电机驱动器功率耗散计算文档、PowerPAD™热增强封装文档等。

支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、可靠答案和设计帮助的重要来源，可搜索现有答案或提出自己的问题。

静电放电注意事项

该集成电路易受ESD损坏，建议在处理所有集成电路时采取适当的预防措施，否则可能导致性能下降或设备完全失效。

术语表

文档提供了术语、首字母缩写词和定义的解释，方便读者理解相关技术术语。

总结

MCT8316Z - Q1是一款功能强大、性能卓越的三相无刷直流电机驱动芯片，具有丰富的功能和保护特性，适用于各种电机驱动应用。在设计过程中，工程师需要根据具体需求合理配置芯片的参数和外部组件，遵循布局指南，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文对大家在使用MCT8316Z - Q1芯片进行电机驱动设计时有所帮助。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。