在設(shè)計(jì)電機(jī)控制電路時(shí)，確定如何提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的大電流至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員必須選擇是使用具有內(nèi)部功率器件的單片集成電路 (IC)，還是使用柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和分立的外部功率 MOSFET。

本文討論了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并就何時(shí)選擇這兩種解決方案提供了指導(dǎo)。

單片驅(qū)動(dòng)程序

第一種選擇是使用單片驅(qū)動(dòng)器 IC 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。集成 IC 由封裝中的一個(gè)硅芯片組成;該芯片集成了邏輯、支持和保護(hù)電路，以及驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電機(jī)的 MOSFET 等功率器件。

由于單片解決方案中的 MOSFET 與控制電路制造在同一芯片上，因此這些解決方案提供了精確電流測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。單片 IC 還提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，例如過(guò)流保護(hù) (OCP) 和過(guò)熱保護(hù) (OTP)，因?yàn)樵撾娐房梢苑胖迷诠杵系?MOSFET 附近。

集成驅(qū)動(dòng)器僅限于與 IC 工藝兼容的額定電壓和電流，這意味著可用的最高額定電壓在 80 V 和 100 V 之間。此外，這些驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)約 15 A。

單片驅(qū)動(dòng)器幾乎專(zhuān)門(mén)用于打印機(jī)等大容量應(yīng)用，其中電源電壓通常低于 35 V，電機(jī)電流低于 5 A。

集成驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)示例是MPQ6541，這是一種汽車(chē)專(zhuān)用的 3 通道功率級(jí)器件。它的額定電源電壓高達(dá) 45 V，連續(xù)負(fù)載電流為 8 A，或每個(gè)通道的峰值電流為 15 A。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了六個(gè) MOSFET，每個(gè) MOSFET 的 R DS(ON)為 15 mΩ。它采用 TQFN-26、6 mm x 5 mm 倒裝芯片封裝。

柵極驅(qū)動(dòng)器

第二種選擇使用分立功率 MOSFET(或在某些情況下，使用其他功率器件)來(lái)驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電機(jī)，并且 MOSFET 通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC、預(yù)驅(qū)動(dòng)器或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。

對(duì)于需要超過(guò) 100 V 的高電壓或非常高電流的應(yīng)用，不存在單片解決方案。在這些情況下，需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器以及分立的 MOSFET。

由于在這種情況下需要多個(gè)器件(有時(shí)多達(dá)三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和六個(gè)功率 MOSFET)，因此解決方案尺寸(即電機(jī)驅(qū)動(dòng)器占用的 PCB 面積)遠(yuǎn)大于單片驅(qū)動(dòng)器所需的尺寸。

高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)例子是MPQ6533，這是一款 3 通道柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，具有壓擺率控制和內(nèi)部診斷功能等集成特性。該器件采用 5 mm x 5 mm QFN-32 封裝。

成本考慮

模擬和混合信號(hào) IC 工藝比專(zhuān)用分立 MOSFET 工藝復(fù)雜得多。由于在 IC 工藝中制造低 R DS(ON) MOSFET 需要大面積的硅，因此在 MOSFET 工藝中具有相同 R DS(ON)和電壓的器件的成本通常高于制造類(lèi)似器件的成本器件采用專(zhuān)用的分立 MOSFET 工藝。

對(duì)于較低電流和/或較低電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在 IC 工藝中制造 MOSFET 的代價(jià)很小。由于控制和保護(hù)功能占據(jù)了芯片的很大一部分，因此為 MOSFET 增加的面積不會(huì)像使用外部 MOSFET 那樣增加成本。

然而，對(duì)于大電流應(yīng)用，IC 工藝中 MOSFET 的成本開(kāi)始主導(dǎo)器件的成本。盡管有可以支持 15A 電機(jī)電流的單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但它們通常比使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的實(shí)現(xiàn)更昂貴。

在某些情況下，單片部件的小尺寸被高度重視，以至于它證明了更昂貴的解決方案是合理的。例如，一些系統(tǒng)需要在電機(jī)內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器，但可用空間很小。在這些情況下，使用柵極驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET 的解決方案可能根本不適合受限空間。

為了粗略了解單片解決方案與柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案的相對(duì)成本，我們可以比較單片 IC 加上具有三個(gè)雙 MOSFET 和三個(gè)電流檢測(cè)電阻器的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的成本。其他支持組件(例如旁路電容器)在兩種解決方案之間具有相似的價(jià)格。請(qǐng)注意，這些成本基于少量目錄價(jià)格;實(shí)際批量生產(chǎn)價(jià)格通常要低得多。

解決方案大小

單片驅(qū)動(dòng)器幾乎總是小于使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的等效解決方案。

例如，我們可以比較 MPQ6541 與 MPQ6533 占用的 PCB 面積以及額外的功率 MOSFET。兩個(gè)部件的尺寸差異很大，MPQ6541 占據(jù) 130 mm 2，MPQ6533 占據(jù) 520 mm 2，是原來(lái)的四倍。請(qǐng)注意，此處顯示的柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案在小封裝中使用雙 MOSFET;在其他情況下，MOSFET 可以更大，這會(huì)進(jìn)一步增加解決方案的 PCB 面積。

散熱注意事項(xiàng)

為了有效散發(fā)功率 MOSFET 中產(chǎn)生的熱量，PCB 通常用作散熱器。較大的封裝通常對(duì) PCB 具有更好的導(dǎo)熱性，這意味著從散熱的角度來(lái)看，更大的解決方案更好。這有利于使用柵極驅(qū)動(dòng)器的解決方案，因?yàn)楣β?MOSFET 通常很大。低 R DS(ON)功率 MOSFET 很容易獲得，因此在某些情況下——尤其是需要在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用——熱因素可能會(huì)排除使用單片驅(qū)動(dòng)器。

單片驅(qū)動(dòng)程序采用較小的封裝。為了補(bǔ)償這些封裝中較高的熱阻，給定電流的 R DS(ON)必須低于使用分立 MOSFET 的類(lèi)似解決方案的 R DS(ON)。

考慮 MPQ6541 單片驅(qū)動(dòng)器及其較小的尺寸。如果 PCB 設(shè)計(jì)正確，則該部分可以驅(qū)動(dòng)很大的電流。顯示了 MPQ6541 在 5 cm x 5 cm、2 層 PCB 上的溫度，同時(shí)為三相無(wú)刷電機(jī)提供 6 A 電流。測(cè)得的外殼溫度比環(huán)境溫度高 38°C。帶有內(nèi)部平面的 4 層 PCB 將進(jìn)一步降低溫升。

仔細(xì)考慮權(quán)衡

在單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和采用外部 MOSFET 解決方案驅(qū)動(dòng)電機(jī)的柵極驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行選擇很復(fù)雜。必須考慮成本、解決方案尺寸和熱特性之間的權(quán)衡。

對(duì)于非常小的電機(jī)，單片驅(qū)動(dòng)器是最佳解決方案。同樣，對(duì)于非常高功率的電機(jī)，應(yīng)使用使用柵極驅(qū)動(dòng)器和分立 MOSFET 的解決方案。然而，這兩種解決方案之間存在很大的重疊，因此設(shè)計(jì)人員在做出選擇時(shí)應(yīng)考慮其應(yīng)用的規(guī)格。