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德儀談基本型無刷閘極驅動器設計 – 第3部分:整合型與離散型半橋整合器 ...

2020-12-15 02:13 PM| 發佈者: SophieWeng@G| 查看: 782| 評論: 0|原作者: Adam Sidelsky|來自: 德州儀器

摘要: 當設計工程師越嘗試在不斷被限縮的印刷電路板(PCB)的設計上挑戰極限,整合型多通道半橋閘極驅動器的使用就越受歡迎。PCB在電量與特殊需求功能逐漸增加的同時,體積卻能越來越小。這讓設計工程師開始思考選擇比較離 ...
當設計工程師越嘗試在不斷被限縮的印刷電路板(PCB)的設計上挑戰極限,整合型多通道半橋閘極驅動器的使用就越受歡迎。PCB在電量與特殊需求功能逐漸增加的同時,體積卻能越來越小。這讓一些設計工程師開始思考到底該堅持使用傳統的離散型半橋整合器,還是轉而使用較有整合性的三段式設計,如DRV8320。在這篇文章裡,我會從觀察那些在選擇無刷DC馬達的積體電路(IC)時會左右決策的數據,來分析不同決策各自的優劣。

讓我們從整合型與離散型之間相異之處的列表開始。我選擇比較的設計跟此系列技術性文章的第1部分第2部分是一樣的。

離散型半橋式閘極驅動器設計
優點:
  • 佈局簡潔。可以透過複製半個橋整合器的佈局去支援到一、三或六橋整合器,因為每個半橋有其自己的IC和外部元件。每個半橋整合器使用專用馬達IC也會讓閘極驅動器和金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFETs, metal-oxide semiconductor field-effect transistors,常被稱為FETs, 場效電晶體)間的走線較短,減少PCB上的寄生元件(待會會提到更多!)
缺點:
  • 外部元件數較高。外部電力供給所需要的外部元件,系統保護及FET控制增加了佈局的複雜度及電路板的空間。
  • 防護的特性。防護的特性在簡單的分散型半橋閘極驅動器上是受限或缺乏的。然而從外部加強這些特性會增加系統複雜度及佈局和電路圖上需下的功夫。

整合型半橋閘極驅動器設計
優點:
  • 高度的整合性。FET閘極驅動器的支援元件和電力供給元件被整合在一個閘極驅動器裡,減少物料清單(BOM, bill-of-materials)並減少元件組合的成本,如系列閘極電阻、閘極散熱道二極體、閘源電壓(VGS, gate-to-source voltage)鉗位二極體、閘極被動式下拉電阻及供電元件。
  • 增加防護特性。漏源電壓(VDS, drain-to-source voltage)和閘源電壓監控器以及電流分流放大器無縫地保護了外部的FET、PCB及馬達,無須任何外部元件。
  • 系統簡單。一個整合的電路控制所有的馬達功能包含合併在一起的故障回報及單點馬達開關。
缺點:
    • 佈局複雜。一個驅動器代表你需要從同一個點拉線到六個FET,可能造成線路較長且增加PCB上的寄生效應。

通常,PCB佈局的寄生性質差異主要在於使用整合性與分離散性閘極驅動器來進行主要設計。傳統的智慧認為整合型的佈局需要較長的閘極和電源線路,造成其寄生效益較離散性的方式嚴重。

使用模型和模擬軟體,我用此系列文章第2 部分中被拿來比較的佈局來分析寄生電感及電阻,以真正看看兩個設計的差異。圖1總結了我的發現。

(註:整合型的方法有一個比較近的半橋閘極驅動器[階段B]和兩個比較遠的[階段A和C],離散型的方法則是一樣的佈局複製三次。這就是為什麼整合型的設計清單上各參數有最小值與最大值,而離散型的設計清單上只有一個值。)

令我意外的是,整合型和離散型半橋閘極驅動器在寄生電感和阻抗上僅有非常微小的差距。整合型半橋閘極驅動器在寄生性元件的數值上並沒有呈現顯著的增加。必要的防護、較少的BOM及較小的解決方案體積這些優勢則仍然存在。

總結來說,若是想縮小離散型設計所佔的體積,整合型閘極驅動器如DRV8320是很好的候選方案,而且肯定能幫助簡化你新的無刷直流馬達驅動的線路。

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