基于限流保护的高功率智能驱动模块设计

2019-08-23李光学孙宇伟徐志书徐巧童

电子技术与软件工程 2019年13期

文/李光学孙宇伟徐志书徐巧童

无刷电机具有寿命长、维护成本低、可靠性高、效率高、节能等优点，在各领域的应用越来越广泛，无刷电机驱动器是用于驱动和控制直流无刷电机转动、加速、减速、正转、反转等功能，由于无刷电机脉动电流较大，特别是换向过程中，尖峰脉冲电流容易造成功率管瞬时过热，从而烧毁功率开关管，针对上述问题，本文设计了一种基于限流保护的驱动模块，从工作原理，电路方案，限流保护，工艺方案等方面进行了详细的介绍，分析了导致功率管烧毁的主要因素，该驱动模块可智能调节PWM脉宽，将峰值电流限定在一定范围，降低发热，提高功率密度，相对于传统的限流模式，可保证电流输出不断续，还可实现单电源供电。

1 电路方案设计

根据直流无刷电机驱动的原理，进行了相应的电路设计，无刷直流电机驱动器电路主要由稳压电路、输入电路、逻辑转换电路、驱动电路、三相桥电路、限流保护电路、隔离电路等组成。电路原理框图如图1所示。

当功率电源输入时，为三相桥电路供电，同时为稳压电路供电。经稳压电路输出一定值的电压到各电路：输入电路、逻辑转换电路、驱动电路、比较电路等，同时通过Vout端和PGND端输出为电机霍尔传感器供电，实现单电源供电，霍尔传感器通过检测电机转子的位置产生电压信号，霍尔电压信号SA、SB、SC经过输入电路到达逻辑转换电路，经处理后输出六路信号。信号经驱动电路电流放大后直接驱动三相桥电路。隔离电路将输入的调速和正反转信号转换成逻辑转换电路可识别的信号，正常工作时，PWM调速信号输入PWM波，占空比越大输出电流越大，F/R正反转信号输入高电平或低电平。

当外围输入F/R正反转切换信号时，通过隔离电路实现电平转换，将正反转信号输出到逻辑处理电路经过一系列处理，改变逻辑输出时序，输出到驱动电路，由驱动电路输出控制MOS管导通和关断时序，改变电机每相绕组电压之间的先后顺序，从而实现电机正反转控制功能。

当外围输入PWM调速信号，占空比在变化时，通过隔离电路实现电平转换，输出到逻辑处理电路，然后输出到驱动电路，由驱动电路输出控制MOS管开通和关断。PWM调速信号占空比变大时，MOS管导通时间长，绕组两端电压有效值变大，电机转速变快，当PWM调速信号占空比变小时，MOS管导通时间短，绕组两端电压有效值变小，电机转速变慢。最终实现PWM调速功能。

2 过流保护电路设计

当电机过载时，特别是在换向时，功率电源回路电流会急剧增大，此时通过采样电路，将电流信号转换成电压信号，经比较处理后控制逻辑处理电路，逻辑处理电路则调节MOS管的开通时间，开通时间由大变小，当MOS管开通时间变小，随之电机绕组两端的电压减小，电机转速下降，整个回路电流减小，实现电流限制功能。当电源回路电流减小，限流比较电路不工作，电机正常转动，以此循环形成一个闭环的限流调节功能。

过流保护电路的功能是对采集到的电压信号与基准电压比较输出电平信号，控制逻辑处理电路。电路原理如图2所示。电路由基准源电路、比较电路构成，信号最终输出到逻辑处理电路。

当电路未出现过流时，在采样电阻两端的电压与比较器的基准电压进行比较，比较器未进行翻转，比较器输出为高电平，对输入的PWM波不进行斩波。当电路中出现过流时，在采样电阻两端的电压与比较器的电压基准电压进行比较，比较器翻转，比较器输出为低电平，此时的低电平与PWM信号通过与逻辑门电路输出信号为低电平。输出到门极驱动芯片的输入端，门极驱动芯片的输出端也相应输出低电平信号，MOS管关断，输出电流减小，如此循环形成一种闭合控制，输入与输出波形图详见图2所示。

3 高功率密度设计

为避免驱动模块烧毁，降低脉冲尖峰电流是一个方面，另外一个方面是通过材料的选取及结构优化设计实现良好的散热，进一步提高功率密度，本设计采用PCB板和陶瓷覆铜板表面贴装，金属外壳灌胶平行缝焊封装，采用高压大电流低导通电阻功率管，在结构和工艺设计时采用了多次层布线技术以提高组装和布线密度，在结构上分为功率部分和非功率部分，功率部分采用氮化硅陶瓷覆铜基板放置元器件，非功率部分采用PCB板放置信号处理类的元器件，为了减小产品体积，实现高密度组装，产品内部采用上、下层结构设计，内部结构图如图3所示。