IO引脚

三相直流无刷电机由于其可靠性高、免维护的特点,逐渐取代有刷电机,成为汽车风机、水泵、油泵的首选动力来源。在设计电机控制器时,不能直接使用通用MCU的IO引脚驱动功率MOS,此时预驱芯片是最优选择。

引言

通用MCU或DSP的IO电压通常是5V\3.3V,IO的电流输出能力在20MA以下,不足以直接驱动功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP来设计电机驱动器时,通常需要搭配外部的MOSFET驱动器,我们称之为“预驱”。在设计汽车风机、水泵、油泵等电机驱动控制器时,使用车规MCU+车规预驱+车规N沟道功率MOSFET,可以适配不同功率、各种通信方式和各种驱动方式。

控制器中的功率MOS驱动

“图1
图1 直流无刷电机驱动电路

如图,三相直流无刷电机(包括BLDC和PMSM)功率级驱动电路使用6个N沟道功率MOS构成三相全桥,分为三个连接到电源正极(VBus)的高边MOS和三个连接到电源负极的低边MOS。控制器通过控制六个MOS的通断,完成换相,使电机按照预期转动。电机在运转过程中可能会遇到堵转而导致过流,因此MOS驱动电路需要具有保护功能,以防止烧坏控制器或电机。

对于单个NMOS来说,在开通时,需要提供瞬间大电流向MOS内的寄生电容充电,栅源电压(VGS)达到一定阈值后,MOS才能完全开通。在MOS开通后,还需要维持合适的栅源电压(VGS),才可以保持开通状态。

对于低边MOS,其源极(S)接到电源负极,栅源电压容易满足,驱动较简单。

对于高边MOS,其源极(S)接到电机相线,其电压是不确定的,如果需要开通,需要通过自举电路提供栅极电压,驱动较复杂。

“图2
图2 VGS与RDSON的关系

一般情况下,MOS的导通内阻都如图2所示,随着VGS的增大而降低,但VGS大于10V之后,下降曲线变得平缓。为了达到最小的导通电阻(RDSON),VGS的取值通常为10~15V。

车规预驱——MPQ6531

MPQ6531是MPS推出的一款专门用于汽车三相直流无刷电机控制器的预驱,符合AEC-Q100 Grade 1,输入电压为5-60V,可以满足12V/24V汽车电气系统下的需求。

“图3
图3 MPQ6531典型应用电路

1、集成三相预驱,体积仅4x5mm

MPQ6531是高度集成的预驱,其内部集成三个高低边驱动器,可以直接驱动由6个NMOS构成的三相全桥。采用QFN-28封装,体积为4x5mm,仅相当于SOP8封装的单个高低边驱动大小,非常适合于有体积要求的电机驱动控制器。

2、与MCU连接简单,占用引脚少

MPQ6531仅有6个PWM输入信号、1个故障输出信号与MCU连接,占用MCU引脚非常少。如有需要低功耗控制,MPQ6531还提供了一个nSLEEP引脚,拉低该引脚,芯片可以进入低功耗模式。在低功耗模式下,电流仅1.4μA.。其故障检测保护、死区时间等均通过硬件设置,无需复杂的软件控制。

3、11.5V栅极驱动电压

MPQ6531集成了稳压电荷泵以产生栅极驱动电源(VREG),其电压是11.5V,足以完美驱动常用功率NMOS。低边MOS源极(S)接到电源负极,所以VREG可以直接驱动。对于高边MOS,MPQ6531使用自举电容产生电源电压。在驱动高边MOS时,经过自举,其电压是VS+VREG。同时内部集成Trick Charger涓流充电电路,可保证在100%占空比情况下,保持足够的高端栅极驱动器电压。得益于芯片内部设计,即使电源电压下降至5V,VREG仍可保持在10-12V。

4、硬件死区插入功能

高边MOS和低边MOS同时打开会导致直通,烧坏MOS。所以必须保证打开与关闭存在时间上的延迟,该延时称为死区时间。MPQ6531可以通过DT引脚来设置死区时间,达到硬件保护的目的。

5、MOS过流、短路保护功能

为了保护MOS免受高电流损坏,MPQ6531中采用了VDS感应电路。MPQ6531可以监控每个MOS上的压降。MOS的压降与MOS的RDSON和流经它的IDS电流成正比。过流检测阈值可以通过OCREF引脚设置,如果MOS压降超过提供给OCREF端子的电压,则表明存在MOS过流故障。

6、母线过流保护功能

MPQ6531内置一个比较器,可以实现母线过流保护功能。母线电流流过采样电阻RSense会产生压降,该电压与内部的0.5V电压做比较,如果超过0.5V则表明存在母线电流故障。

7、故障保护功能

除了MOS过流保护和母线过流保护功能,MPQ6531还具有低压保护、过温保护功能。当检测到故障时,MPQ6531会禁用所有栅极驱动输出,使得所有MOS都处于关闭状态,达到保护MOS的效果。

结语

MPQ6531是一款车规级的高度集成三相预驱,专为三相直流无刷电机控制设计,适用于FOC驱动、方波驱动,可以有效减少BOM成本和PCB尺寸。ZLG可提供原理图和PCB设计参考,协助厂商进行电机控制器快速开发。

来源:ZLG立功科技
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做有低功耗产品设计经验的朋友都应该知道,一个产品的功耗不光是硬件功耗的事,其实软件也是影响整个产品功耗的一个关键因素。

今天就为大家分享一点关于STM32在低功耗状态时,IO引脚常规的配置内容。

1、将未使用的GPIO输入配置为模拟输入

GPIO始终有一个输入通道,可以是数字或模拟通道。

如果不需要读取GPIO数据,则优先配置为模拟输入。这节省了输入施密特触发器的消耗。

在STM32CubeMX配置中都有这么一个选项:将不用引脚配置为模拟状态。

“”

2、调节GPIO速度

上升时间,下降时间和最大频率可使用GPIOx_OSPEEDR配置寄存器进行配置。

这种调整对EMI(电磁干扰)和SSO(同时开关输出)有影响,因为开关电流峰值较高。因此必须平衡GPIO性能与噪声。

每个GPIO信号的上升时间和下降时间必须适应与相关信号频率和电路板容性负载兼容的最小值。

3、不使用时禁用GPIO寄存器时钟

如果某个GPIO组不需要长时间使用,禁用其时钟。

比如标准外设库,禁用GPIOA时钟:

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, DISABLE);

HAL库,禁止GPIOA时钟:

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();

4、进入低功耗模式时配置GPIO

进入低功耗模式时,所有引脚信号必须连接到VDD或接地。

如果GPIO连接到外部接收器(外部元件输入),则必须使用PP或PU/PD强制GPIO信号值。

当GPIO连接到驱动器(外部元件输出或总线)时,驱动器必须提供有效电平( VDD或接地)。如果未定义驱动器电平,则必须使用PU/PD强制GPIO上的信号。

出于实际原因,当GPIO是运行模式下的输入(模拟或数字)时,在低功耗模式下使用输入PU/PD可能更容易;当GPIO是运行模式下的输出时,则使用输出PP。这可以避免在进入或退出停止模式时管理更改。

5、退出关机模式

退出关机(shut down)模式时, GPIO会在上电复位时重新配置为默认值。

在将它们重新编程为正确值之前,这会需要额外的系统消耗。

如果这是应用程序的问题,则必须使用待机(standby)模式替代关机模式。
(仅限STM32L4系列和STM32L4+系列)

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