鋰電池供電的無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)考慮

消費(fèi)者希望電池供電產(chǎn)品具有優(yōu)異的可靠性并延長(zhǎng)電池使用壽命，如手持電動(dòng)工具、便攜式醫(yī)療設(shè)備或家庭自動(dòng)化產(chǎn)品。隨著這些產(chǎn)品的市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，制造商們開(kāi)始采用新一代鋰離子電池(Li-ion)供電的無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)。

無(wú)刷直流電機(jī)非常適合于需要高可靠性、高效率和高功率密度的應(yīng)用。由于沒(méi)有電刷磨損和更換，無(wú)刷直流電機(jī)的可靠性非常高。因此，其預(yù)期壽命顯著高于有刷電機(jī)，從而大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

從另一方面看，鋰電池已廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)和平板電腦等。鋰電池以其優(yōu)異的能量密度和靜態(tài)電荷損失緩慢的特點(diǎn)，成為用途最廣的電池之一。鋰電池不僅用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，而且正在越來(lái)越多的應(yīng)用于過(guò)去采用鉛酸蓄電池的產(chǎn)品，如高爾夫球車、  電動(dòng)割草機(jī)等。

新型鋰電池供電的無(wú)刷電機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品可靠性更高，從而促進(jìn)了電池供電的電動(dòng)產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展。許多產(chǎn)品正在進(jìn)行這種新電池的升級(jí)，包括手鉆、鏈鋸、鼓風(fēng)機(jī)等電池供電工具，以及小型電動(dòng)車輛(電動(dòng)自行車和輪椅)和不間斷電源等。

這些新產(chǎn)品還需要更新驅(qū)動(dòng)MOSFET的橋式驅(qū)動(dòng)器，以利用各種功能，同時(shí)減少其配合集成式的BLDC電動(dòng)機(jī)與鋰電池產(chǎn)生的問(wèn)題。特別是，新型橋式驅(qū)動(dòng)器提供的創(chuàng)新安全功能，可防止電機(jī)負(fù)載再生減速期間電池充電失控導(dǎo)致鋰離子電池?fù)p傷和損壞，進(jìn)一步延長(zhǎng)電池以及多節(jié)鋰電池供電產(chǎn)品的使用壽命。

升級(jí)到鋰離子電池和無(wú)刷直流電機(jī)

鋰離子電池的高能量密度是優(yōu)于其他電池技術(shù)(如鎘鎳、鎳氫或鉛酸電池)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。通常情況下，鋰電池能量密度是其它電池技術(shù)的兩到三倍。能量密度高可以減小電池組尺寸，減輕手持電動(dòng)工具的重量并進(jìn)一步小型化。此外，在不增加原有電池組尺寸或重量的情況下，可以延長(zhǎng)電動(dòng)自行車或輪椅等的工作時(shí)間。

不過(guò)，高能量密度的鋰電池并非沒(méi)有應(yīng)用方面的問(wèn)題。鋰電池不是我們通常對(duì)電池理解意義上的電壓源。鋰電池內(nèi)部電感相當(dāng)高(100-500nH)，導(dǎo)致采用PWM技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生明顯的紋波電壓。簡(jiǎn)單的解決辦法是在MOSFET橋間增加足夠電容，但由于受到空間、成本的限制，無(wú)法采用這種方法。

除空間有限外，PCB結(jié)構(gòu)約束也是許多使用電池供電的手持電動(dòng)工具的主要問(wèn)題。在一些應(yīng)用中，橋臂間跨接很小的電容也會(huì)使橋路產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓紋波。以18-20V的鋰電池為例，大負(fù)載條件下，采用最小限度容量橋接電容的鋰電池谷值電壓可能低至5V，峰值電壓則高達(dá)36V。另一個(gè)考慮因素是過(guò)載期間的工作條件，如轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，這種情況下，電池電壓會(huì)下降到非常低的值。這些例子中，要求控制器(而不是驅(qū)動(dòng)器)能夠決定如何對(duì)這些極端工作條件做出反應(yīng)。

采用BLDC電機(jī)有多個(gè)理由。BLDC電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(RPM)主要受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)限制，而有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速主要受電刷本身的限制。大部分應(yīng)用采用減小傳動(dòng)比的方法，將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)速。由于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速要比有刷電機(jī)快很多倍，因此通過(guò)相應(yīng)調(diào)整傳動(dòng)比，物理尺寸比較小的無(wú)刷直流電機(jī)可以產(chǎn)生同樣的轉(zhuǎn)速和作用扭矩。無(wú)刷直流電機(jī)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是消除了電刷磨損及其產(chǎn)生的嚴(yán)重電磁干擾(EMI)。在延長(zhǎng)工作時(shí)間方面，無(wú)刷直流電機(jī)的明顯優(yōu)勢(shì)是效率高，一般優(yōu)于同類有刷直流電機(jī)150%以上。

無(wú)刷直流電機(jī)也有其自身的應(yīng)用問(wèn)題：主要是驅(qū)動(dòng)電路增加了復(fù)雜性(參見(jiàn)圖1)。單向有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，只需要一個(gè)MOSFET橋路。雙向有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要兩個(gè)橋路。而無(wú)刷直流電機(jī)即使單向應(yīng)用也需要三個(gè)橋路。這種復(fù)雜性的提高要求減小體積或采用高功能集成電路，以減少元器件數(shù)量、物料清單(BOM)成本、節(jié)省有效空間，尤其是在空間受限的應(yīng)用環(huán)境下，如電池供電的電鉆。

Figure 1.三種常見(jiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用舉例。

電池供電電機(jī)橋路驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備七種功能

1.由于大部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的橋路驅(qū)動(dòng)器需要較低的偏置電流，控制器(一般為數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或微控制器)同樣需要較低的偏置電流，因此集成線性穩(wěn)壓器(LDO)并帶有使能控制用以支持橋驅(qū)動(dòng)器的工作電壓是需要的，橋路驅(qū)動(dòng)器為12VDD，控制器為3.3VCC。

2.可機(jī)械開(kāi)關(guān)控制的LDO使能輸入端的用以保證LDO無(wú)振動(dòng)導(dǎo)通。

3.保證超低靜態(tài)電流，以減少電池電耗。理想情況下，可采用睡眠模式，當(dāng)存在橋路電壓，而應(yīng)用不工作時(shí)，確保關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。

4.在電池電壓低至5V的條件下保證橋路不間斷運(yùn)行。這可以通過(guò)~4.2V欠壓鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)橋路驅(qū)動(dòng)器UVLO典型值為7.5V。

5.必須具備相位節(jié)點(diǎn)(HS)的高瞬間負(fù)偏壓耐受能力。橋路FET開(kāi)關(guān)電流逐漸提高已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種趨勢(shì)(>200A)。隨著開(kāi)關(guān)電流提高以及非理想PCB布局結(jié)構(gòu)的約束，減小PCB寄生電感造成的HS  引腳負(fù)瞬態(tài)高壓沖擊是PCB設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

6.在大量應(yīng)用中必須最大限度減小封裝尺寸，以節(jié)省布板空間?？s小封裝還便于將驅(qū)動(dòng)器安放在靠近FET的位置，緩解PCB布局欠佳帶來(lái)的問(wèn)題。

7.驅(qū)動(dòng)器橋路額定電壓應(yīng)達(dá)到50V ，保證電池電壓在36V條件下還能可靠運(yùn)行。

由于能夠顯著地延長(zhǎng)鋰電池供電設(shè)備的電源使用時(shí)間和產(chǎn)品整體壽命，橋路驅(qū)動(dòng)器特別適合用于新一代BLDC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)前市場(chǎng)上，增強(qiáng)電池續(xù)航能力、設(shè)備使用壽命和高可靠性的產(chǎn)品成為消費(fèi)者的首要選擇。新型橋路驅(qū)動(dòng)器支持鋰電池供電的BLDC電機(jī)，滿足并優(yōu)于市場(chǎng)需求。

工具欄:

Intersil  HIP2100半橋驅(qū)動(dòng)器自1995年推出以來(lái)已為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員廣泛采用。由于不需要散熱器、可采用低成本MOSFET、易用、高效的HIP2100半橋驅(qū)動(dòng)器成為設(shè)計(jì)使用的卓越器件，可靠降低各種形狀和尺寸設(shè)計(jì)的功耗。十年前，公司推出新的增強(qiáng)散熱效率的小型封裝，符合當(dāng)時(shí)為確保系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性而要求的高壓節(jié)點(diǎn)之間0.6mm間距的標(biāo)準(zhǔn)。2014年，這一長(zhǎng)達(dá)幾十年的產(chǎn)品系列進(jìn)行了又一次升級(jí)，推出了HIP2103/4半橋、全橋驅(qū)動(dòng)器，工作電壓5V至50V，可幫助顯著延長(zhǎng)多節(jié)鋰離子電池供電設(shè)備的電源使用時(shí)間和產(chǎn)品整體壽命。新型HIP2103和HIP2104橋路驅(qū)動(dòng)器可配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持半橋、全橋和三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。