【導(dǎo)讀】近年來(lái)，隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，亞健康、中國(guó)老年、商旅辦公等人群的擴(kuò)大，以及智能化按摩椅產(chǎn)品的不斷更新升級(jí)，具有良好按摩保健功效的按摩椅正逐步獲得廣大消費(fèi)者的認(rèn)可。從電機(jī)的種類上來(lái)看，有刷電機(jī)因其簡(jiǎn)單的控制方式和優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在調(diào)速領(lǐng)域一直占有主導(dǎo)地位。為了提高功率，按摩椅中的驅(qū)動(dòng)往往采用12/24V有刷電機(jī)，考慮到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的瞬態(tài)電壓，往往會(huì)采用40-50V耐壓范圍的驅(qū)動(dòng)芯片。
本文會(huì)著重介紹TI集成MOSFET的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流輸出級(jí)特性，以及如何增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)峰值電流。
有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流輸出
圖表 1：DRV8840輸出級(jí)
由于在按摩椅的使用場(chǎng)景中，經(jīng)常會(huì)遇到重載啟動(dòng)或高轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，下面先對(duì)有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出電流部分進(jìn)行分析：
有刷電機(jī)的速度由加在電機(jī)電樞兩端的電壓決定，方向由芯片內(nèi)部集成的H橋來(lái)控制，速度越快時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)越大。下面公式中I為流過(guò)電機(jī)線圈的電流，U為電機(jī)兩端外加電壓，E為反電動(dòng)勢(shì)，R為線圈電阻。
當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者剛啟動(dòng)時(shí)，速度為0則反電動(dòng)勢(shì)為0，此時(shí)電流最大，對(duì)應(yīng)了驅(qū)動(dòng)芯片帶載能力。為了避免堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大燒毀電機(jī)，TI的BDC驅(qū)動(dòng)芯片都具有限流功能，以DRV8840（圖表 1）為例，通過(guò)在ISEN引腳上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，將這個(gè)電壓與參考電壓VREF進(jìn)行比較，得到限流閾值：
這個(gè)大電流會(huì)通過(guò)Rsense采樣電阻，往往這個(gè)電阻會(huì)采用毫歐級(jí)別的功率電阻，占板面積較大。并且在按摩椅的一些應(yīng)用場(chǎng)合中需要采集此電流值，來(lái)判斷電機(jī)的輸出扭矩，這時(shí)還需要一顆額外的運(yùn)放以增大ADC的輸入阻抗，再通過(guò)ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)電流采集。在傳統(tǒng)的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，這種方式最為普遍，占用的PCB板面積也最大。
有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片新特性
在TI最新的50V耐壓的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中，例如DRV8256（圖表 2），內(nèi)部采用了電流鏡的技術(shù)，在啟動(dòng)期間和高負(fù)載事件中，集成電流感測(cè)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)電機(jī)浪涌電流。結(jié)合可調(diào)外部電壓基準(zhǔn)Vref，可設(shè)置電流限值。
這種技術(shù)無(wú)需大功率分流電阻器，可以節(jié)省電路板面積并降低系統(tǒng)成本，但也失去了預(yù)留在外的電流路徑，這樣對(duì)于一些需要采集總電流的場(chǎng)合也不適用。值得注意的是無(wú)法在OUT1和OUT2引腳之間，再串接采樣電阻，這個(gè)電流是雙向變化的，同時(shí)對(duì)地共模電壓也非常高，無(wú)須也沒(méi)必要再額外引入一路浮地的運(yùn)放和電源。同樣也不建議在PGND引腳和地之間串接采樣電阻，這樣會(huì)破壞PGND（功率地）和GND（邏輯地）之間的電勢(shì)差，導(dǎo)致控制邏輯出錯(cuò)。
圖表 2：DRV8256輸出級(jí)
又或者參考TI另一顆有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8251A（圖表 3），芯片內(nèi)部的電流鏡將通過(guò)下管MOSFET的電流鏡像成一個(gè)電流源，縮小一個(gè)AIPROPI（uA/A）系數(shù)，通過(guò)外接在IPROPI引腳上的一個(gè)大電阻（kΩ）轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓值VIPROPI，再接入ADC的輸入端進(jìn)行電流采集。這種比例電流鏡的方式不但省去了一個(gè)mΩ級(jí)的大個(gè)頭采樣電阻，內(nèi)部電流源產(chǎn)生的采樣電壓專供采樣電阻，輸入阻抗足夠大，可以直接進(jìn)ADC采樣端。
圖表 3：DRV8251A輸出級(jí)
并聯(lián)驅(qū)動(dòng)芯片以提高帶載能力
由于TI的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置MOSFET，Rds-on決定了持續(xù)電流通過(guò)時(shí)的發(fā)熱量，當(dāng)溫升超過(guò)節(jié)溫限制時(shí)芯片將強(qiáng)制進(jìn)入OTP保護(hù)，并在溫度回落或者固定時(shí)長(zhǎng)后auto retry。當(dāng)負(fù)載的電流需求超過(guò)了單顆有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流峰值時(shí)，除了了選用更大封裝，優(yōu)化散熱盤(pán)layout之外，還有一種并聯(lián)驅(qū)動(dòng)芯片以提高電流輸出能力的方法。
如圖表 4所示：將兩顆相同的DRV8251A輸入和輸出級(jí)并聯(lián)，電流會(huì)均分到兩顆芯片內(nèi)部的H橋中，在不觸發(fā)過(guò)流保護(hù)的前提下增加了輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。
圖表 4：并聯(lián)DRV8251A提高電流輸出能力
在調(diào)整芯片限流值時(shí)有以下兩點(diǎn)需要注意：
● 前面提到的芯片限流值由IPROP和Vref兩個(gè)引腳上的電壓比較決定的，一般會(huì)使用同一個(gè)3V電源軌來(lái)對(duì)Vref引腳進(jìn)行供電。如果分別對(duì)兩顆芯片進(jìn)行電流采樣，且采樣電阻上使用的是常見(jiàn)的1%精度的貼片電阻，往往會(huì)在IPROP引腳上引入一個(gè)最高2%的誤差，這會(huì)意味著兩顆芯片的限流值不同。
● 不同芯片中H橋的MOSFET內(nèi)阻并不完全一致，如果僅將輸入輸出引腳并聯(lián)，會(huì)導(dǎo)致電流無(wú)法平均流向兩顆芯片。疊加以上兩點(diǎn)，限流值不同的兩顆芯片驅(qū)動(dòng)能力并不是簡(jiǎn)單的相加關(guān)系，一顆芯片進(jìn)入限流狀態(tài)時(shí)由于負(fù)載過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致另一顆芯片也進(jìn)入限流狀態(tài)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是將兩顆芯片的Vref引腳用同一個(gè)電源軌供電，將IPROP引腳連到同一個(gè)采樣電阻上，這樣可以保證兩顆芯片的限流值一樣，輸出電流也呈線性關(guān)系。
作者：Sirui Zhu
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