運用高度整合的閘極驅動器，在馬達控制設計中節省空間

以鋰離子供電的高功率密度、高效率、三相無刷 DC (BLDC) 馬達，可促成無線電動工具、吸塵器和電動自行車的開發。然而，為了節省空間打造更精巧的機電裝置，設計人員承受著一定的壓力，必須進一步縮減馬達控制電子元件的尺寸。

而這並不容易。在將驅動器元件納入狹小空間時，會遇到諸多顯而易見的難題，再者，若將所有元件配置得過於緊密，更會額外產生熱管理和電磁干擾 (EMI) 方面的問題。

馬達控制電路設計人員可針對馬達控制系統中最關鍵的元件，改採新一代的高度整合式閘極驅動器，藉此達到更輕薄的設計。

本文將先探討 BLDC 馬達的運作，接著介紹適用的閘極驅動器，然後再說明如何使用這些產品克服小型馬達控制系統面臨的設計難題。

打造更優異的電動馬達

由於在商業上面臨著能效與節省空間方面的雙重壓力，促使電動馬達設計領域迅速演進。數位控制型 BLDC 馬達就是此演進趨勢下的一個產物。這種馬達的普及要歸功於電子換向技術的採用，可提供比傳統 (有刷換向) DC 馬達更優異的運作效率；在相同速度和負載條件下，運作效率可提升 20% 至 30%。

在此改進下，BLDC 馬達能以更小巧、更輕盈且更安靜的設計達到指定的功率輸出。BLDC 馬達還具有其他優勢，例如卓越的速度與扭力特性、更優異的動態響應、無噪音操作，以及更高的速度範圍。工程師亦不斷推動能以更高的電壓和頻率運作的設計，如此即可讓小型電子馬達勝任與傳統大型馬達同樣的作業。

BLDC 馬達的成功關鍵，在於電子切換式電源供應器與馬達控制電路，其會產生三相輸入來生成旋轉磁場，以拖動馬達轉子轉動。由於磁場與轉子會以相同頻率旋轉，因此馬達可歸類為「同步」馬達。霍爾效應感測器會轉送定子與轉子的相對位置，因此可讓控制器在適當時機切換磁場。此外，也可採用「無感測器」技術來監測反電動勢 (EMF)，以判斷定子與轉子的位置。

在三相 BLDC 馬達中，依序施加電流的最常見配置是由三對功率 MOSFET 構成，採橋接結構配置。每對功率 MOSFET 皆以逆變器形式運作，將電源供應器的 DC 電壓轉換為驅動馬達繞組所需的 AC 電壓 (圖 1)。在高電壓應用中，一般會使用絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)，而非 MOSFET。

圖 1：數位三相 BLDC 馬達控制一般使用三對 MOSFET，每一對可提供 AC 電壓給一個馬達繞組。(圖片來源：Texas Instruments)

電晶體對包括一個低側元件 (源極接地) 與一個高側元件 (源極在接地與高電壓電軌間浮動)。

一般配置會使用脈寬調變 (PWM) 來控制 MOSFET 閘極，可將輸入 DC 電壓有效轉換成調變驅動電壓。使用的 PWM 頻率至少應當比預期的最大馬達速度快上一個數量級。每對 MOSFET 皆負責控制一個馬達相位的磁場。如需驅動 BLDC 的詳細資訊，請參閱知識庫文章：「如何對無刷 DC 馬達進行供電和控制」。

電動馬達控制系統

完整的馬達控制系統包括電源供應器、主機微控制器、閘極驅動器，以及採用半橋拓撲的 MOSFET (圖 2)。微控制器會設定 PWM 工作週期並監測開迴路控制。在低電壓設計中，閘極驅動器與 MOSFET 橋接器有時會整合成單一裝置。不過在高功率裝置中，閘極驅動器和 MOSFET 橋接器會隔開，以減輕熱管理負擔，也可針對閘極驅動器和橋接器使用不同的製程技術，並且將 EMI 降至最低。

圖 2：以 TI MSP 430 微控制器為基礎的 BLDC 電子馬達控制線路圖。(圖片來源：Texas Instruments)

MOSFET 橋接器可由離散元件或整合式晶片組成。將低側與高側 MOSFET 整合在相同封裝內有個主要的優點，就是即使 MOSFET 的功率耗散不同，亦可自然地讓頂端與底部 MOSFET 之間達成熱平衡。無論是整合式或離散式，每對電晶體皆需要使用獨立的閘極驅動器來控制切換時間和驅動電流。

此外，亦可使用離散元件來設計閘極驅動器電路。這種作法的優點在於，可讓工程師精確調整閘極驅動器，以符合 MOSFET 的特性並達到最佳化效能。缺點在於必須具備高階馬達設計經驗，以及容納離散解決方案的所需空間。

模組化馬達控制解決方案提供替代方案，而且市場上也有多種整合式閘極驅動器可供選擇。更優異的模組化閘極驅動器解決方案包括以下特色：

• 具備高度整合性，可將裝置所需的空間降至最低
• 具備高驅動電流，可減少切換損耗並增進效率
• 具備高閘極驅動電壓，可確保在最低內部電阻 (R_DS(ON)) 下進行 MOSFET 傳導
• 具備高階的過電流、過壓和過熱保護能力，即使在最糟糕的情況下也能確保系統可靠運作

諸如 Texas Instruments 的 DRV8323x 系列三相閘極驅動器等裝置，可減少系統元件數量、成本和複雜度，同時合乎高效率 BLDC 馬達的需求。

DRV8323x 系列提供三種款式。每個款式皆整合三個獨立的閘極驅動器，並可驅動高側與低側 MOSFET 對。閘極驅動器包含一個電荷幫浦，可針對高側電晶體產生高閘極電壓 (最高支援 100% 工作週期)；另外還有一個線性穩壓器，可供電給低側電晶體。

TI 閘極驅動器包含感測放大器，必要時亦可進行配置，對全體低側 MOSFET 進行電壓放大。這些裝置可流出最高 1 A 和流入 2 A 的峰值閘極驅動電流，並可用單一電源供應器操作，具有 6 V 至 60 V 的寬廣輸入電源範圍。

譬如，DRV8323R 版本整合三個雙向電流感測放大器，可採用低側分流器電阻並透過每個 MOSFET 橋接器來監測電流位準。電流感測放大器的增益設定可透過 SPI 或硬體介面進行調整。微控制器接至 DRV8323R 的 EN_GATE，因此可啟用或停用閘極驅動輸出。

DRV8323R 裝置亦整合 600 mA 的降壓穩壓器，可供電給外部控制器。此穩壓器可使用閘極驅動器電源供應器或獨立電源供應器 (圖 3)。

圖 3：諸如 TI 的 DRV8323R 等高度整合式閘極驅動器，可減少系統元件數量、成本和複雜度，同時節省空間。(圖片來源：Texas Instruments)

閘極驅動器含有多種保護功能，包括電源供應器欠壓鎖定、電荷幫浦欠壓鎖定、過電流監測、閘極驅動器短路偵測，以及過熱關斷。

每個 DRV832x 皆採用晶片封裝，尺寸僅有 5 x 5 mm 至 7 x 7 mm (視選項而定)。這些產品可節省超過 24 個離散元件所需的寶貴空間。

採用整合式閘極驅動器進行設計

為了協助設計人員開始設計，TI 提供 TIDA-01485 公版設計。此公版設計具有 99% 效率和 1 kW 功率級，適用於多種應用的三相 36 V BLDC 馬達，例如透過十節鋰電池運作的電動工具。

此公版設計顯示如何使用諸如 DRV8323R 等高度整合式閘極驅動器，在此功率位準下打造市面上最精巧的馬達控制電路基礎之一，節省馬達控制設計的寶貴空間。此公版設計可實作以感測器為基礎的控制。(參閱知識庫文章：「以正弦曲線方式控制三相無刷 DC 馬達的原因及方法」。)

公版設計的主要元件包括 MSP430F5132 微控制器、DRV8323R 閘極驅動器，以及三個 CSD88599 60 V 半橋 MOSFET 電源塊 (圖 4)。

圖 4：TIDA-01485 是具備 99% 效率、1 kW 功率級的公版設計，適用於可透過十節鋰電池供電的三相 36 V BLDC 馬達。(圖片來源：Texas Instruments)

雖然閘極驅動器是高度整合的模組化解決方案，可消除離散設計的諸多複雜性，但仍需一些設計作業來建構可完整運作的系統。此公版設計展示一套完整的解決方案，可協助設計人員刻畫原型藍圖。

舉例來說，閘極驅動器需要數個解耦電容才能正常運作。在此公版設計中，1 μF 電容 (C13) 會針對從 DRV8323R 內部線性穩壓器衍生而來的低側 MOSFET 驅動電壓 (DVDD) 進行解耦 (圖 5)。此電容的擺放位置必須盡量靠近閘極驅動器，將迴路阻抗值最小化。必須使用電阻值為 4.7 μF 的次要解耦電容 (C10)，以透過 36 V 電池解耦 DC 電源輸入 (PVDD)。

圖 5：DRV8323R 閘極驅動器的應用電路。走線長度應盡可能縮短以限制 EMI。(圖片來源：Texas Instruments)

二極體 D6 有助於隔離閘極驅動器電源，以免在短路時出現電池電壓驟降現象。配備此二極體非常重要，可讓 PVDD 解耦電容 (C10) 在短暫的驟降情況下，維持輸入電壓。

維持電壓可避免閘極驅動器進入不樂見的欠壓鎖定狀態。C11 與 C12 是促成電荷幫浦操作的重要元件，因此也應盡量擺放在靠近閘極驅動器的位置。

通常良好的設計作法是將高側與低側閘極驅動器的迴路長度降至最低，主要目的是為了降低 EMI。高側迴路是從 DRV8323 GH_X 至功率 MOSFET，透過 SH_X 傳回。低側迴路是從 DRV8323 GL_X 至功率 MOSFET，透過 GND 傳回。

切換時間的重要性

MOSFET 的選擇是影響 BLDC 馬達效能與效率的關鍵因素。由於每個 MOSFET 系列產品的特色不盡相同，因此應依據所需的切換時間來進行選擇。時間設定即使稍有失誤，皆可能導致效率低落、EMI 升高以及馬達故障等問題。

譬如，錯誤的時間可能會發生直通，導致低側與高側 MOSFET 同時導通，進而引發災難性的短路現象。其他時間問題還包括寄生電容量觸發暫態，可能會導致 MOSFET 受損。此外，諸如外部短路、焊料橋接或是 MOSFET 於特定狀態發生中斷等狀況，也會發生問題。

TI 將 DRV8323 歸類為「智慧型」閘極驅動器，因可協助設計人員控制時間和回授，以避免發生這些問題。舉例而言，驅動器包含內部狀態機構，可防止閘極驅動器發生短路事件、控制 MOSFET 橋接器失效時間 (I_DEAD)，並防止外部功率 MOSFET 出現寄生導通。

DRV8323 閘極驅動器亦包含適用於高側與低側驅動器的可調整推挽式拓撲，可讓外部 MOSFET 橋接器達到強大的上拉與下拉操作，以避免發生雜散電容量問題。可調式閘極驅動器支援即時閘極驅動電流 (I_DRIVE) 與持續時間 (t_DRIVE) 變更 (無需限流閘極驅動電阻)，可對系統操作進行微調 (圖 6)。

圖 6：在三相 BLDC 馬達其中一個 MOSFET 橋接器中，高側 (V_GHx) 與低側電晶體 (V_GLx) 的電壓及電流輸入。I_DRIVE 與 t_DRIVE 是維持馬達正常操作和效率的重要因素；I_HOLD 用於將閘極維持在所需狀態，I_STRONG 可防止低側電晶體的閘極對源極電容量引發導通。(圖片來源：Texas Instruments)

一開始應根據外部 MOSFET 的特性選擇 I_DRIVE 和 t_DRIVE，例如閘極對汲極電荷以及所需的起落時間。例如，若 I_DRIVE 過低，MOSFET 的起落時間會較長，導致高切換損耗。起落時間亦會決定 (在一定程度上) 每個 MOSFET 飛輪二極體恢復尖波的能量與持續時間，這可能也是效率低落的的潛在因素之一。

變更閘極驅動器的狀態時，可針對 t_DRIVE 期間套用 I_DRIVE，該期間長度必須足以讓閘極電容量完全充電或放電。根據經驗法則，最好選擇 t_DRIVE，讓其長度約為 MOSFET 切換起落時間的兩倍。請注意，t_DRIVE 不會增加 PWM 時間，且若在作用期間內收到 PWM 命令，甚至會結束。

t_DRIVE 期間結束後，可使用固定保持電流 (I_HOLD) 將閘極維持在所需的狀態 (上拉或下拉)。在高側導通期間，低側 MOSFET 閘極會受限於強大的下拉操作，以避免電晶體的閘極對源極電容量引發導通。

固定 t_DRIVE 持續時間可確保在 MOSFET 閘極短路等故障狀況下，峰值電流時間會受到限制。這可限制傳輸的能量，並避免閘極驅動引腳和電晶體受損。

結論

模組化馬達驅動器無須使用眾多離散元件，因而節省空間，並可增強新一代輕巧型數位控制高功率密度 BLDC 馬達的優勢。這些「智慧型」閘極驅動器還採用相關技術，可簡化功率 MOSFET 切換時間設定層面繁瑣的開發流程，同時減輕寄生電容量的影響並降低 EMI。

不過，仍然必須多加留意，以確保仔細選擇周邊電路，例如功率 MOSFET 和解耦電容。但正如本文所示，各家主要馬達驅動廠商皆提供公版設計，可讓開發人員依此打造原型基礎。