轉載自：21世紀電源網
背景介紹
無刷直流電機(BLDC)因為其壽命長、較少的維護以及效率高等優點得到廣泛的應用。基於此，BLDC廣泛應用於 DIY 以及專業級電池供電相關電機產品中，如電動工具、園藝工具、商用及消費性多軸飛行器、電池供電家用電器、機器人、低速電動車等。這些產品中使用了不同類型的電機和控制策略，因此其電壓,扭矩,產品規格參數等均不相同，那麼有沒有一個通用的控制晶片來實現不同電機產品的控制呢?
有，這即是英飛凌的新型三相電機智能驅動晶片 6EDL7141，這是一個智能三相電機控制柵極驅動器，能用於各種不同場合的電池供電的電機控制應用。6EDL7141 柵極驅動器支持 12-48V 級的電池供電應用場合，此晶片具有完全可編程設計能力，可以通過大量的參數配置，實現多種 PWM 控制以及制動模式控制，並具有完備的保護功能,如過電流、過熱、堵轉檢測等。
接下來會了解到此三相電機智能驅動晶片的整體架構,特性，以及其創新的柵極驅動能力，並通過其 GUI 工具方便地進行設計以及在線調試，同時現有的參考評估板也可以讓設計人員快速地實現產品設計，加速產品上市周期。
產品概覽
用於電池供電型 BLDC 電機控制的三相電機控制柵極驅動器 IC，MOTIX TM 6EDL7141 是英飛凌最新推出的三相電機控制柵極驅動器IC。6EDL7141可用於開發使用 BLDC 或PMSM 電機的高性能電池供電型產品，應用包括無線電動工具、 園藝電動產品和自動引導車等許多應用場合。MOTIX TM 6EDL7141 具 有 50 多個使用SPI 接口可編程的參數，可完全參數化配置，以驅動各種 MOSFET，得到最佳的系統效率。
MOTIX™ 6EDL7141 採用 48 引腳 VQFN 封裝，具有很大的靈活性，其工作電壓為 5.5-60V，可配置的柵極驅動灌電流和拉電流，最高達1.5A，能夠有效驅動各種 MOSFET，以完美適合各種應用場合。得益於內置雙充電荷泵，它的柵極驅動器電源電壓可設置為 7V、10V、 12V 或 15V，即使在低電池電壓下也可以調節。MOTIX™ 6EDL7141柵極驅動器參數亦可調整，能夠控制壓擺率，以最大限度地減少系統的電磁干擾。MOTIX™ 6EDL7141 的所有設置都可以通過簡單易用的 GUI 快速更改。
圖 1 直流無刷電機的控制應用簡圖
圖 2 6EDL7141 典型應用原理圖
電源架構豐富
集成降壓調節器僅需一個外部電容和電感來為電機中的微控制器和霍爾傳感器供電，從而進一步減少了外圍器件和所需的PCB 空間。高性能電動工具通常還需要使用精確的 ADC參考電壓進行高精度的電流測量。MOTIX™ 6EDL7141 採用先進的線性功率調節器架構，由內部降壓轉換器供電，可在任何輸入和輸出條件下提供最佳信號質量，同時優化電源效率。
圖 3、圖 4 可以看到，MOTIX™ 6EDL7141 內部集成高效同步 Buck DC-DC 轉換器為整個系統提供高壓供電，輸入電壓範圍寬至 5.5-60V，如果當 PVDD ≥9.5V，VDDB 能夠提供高達 600mA 的電流，同時配備由Buck 轉換器輸出供電的 LDO 穩壓器可提供高達 300mA 的低噪聲數字電源。作為系統級設計時，可以靈活選擇供電方式，如：Buck 或LDO 輸出為外部組件(MCU、霍爾等)供電，為配套的 MCU 提供電源，從而省去了所需要的電源配置。
圖 3 6EDL7141 晶片內部電源管理架構圖
圖 4 6EDL7141 晶片內部電源管理架構圖
可調節的柵極驅動參數
系統中的供電由降壓穩壓器供電，為所有三相高/低端側驅動器提供偏置電源。基於電荷泵的三相柵極驅動器支持100%占空比輸出， 同時得益於雙充電荷泵設計,它的柵極驅動器電源電壓，可以通過 SPI參數設置為 7V、10V、12V 或15V，即使在低電池電壓下也允許驅動標準電平的 MOSFET。高低側柵級驅動能力高達1.5A，內置可調節的驅動電流設計，這也是通過 SPI 參數設置來實現調節，可以配合英飛凌的 MOSFET 實現系統最佳的效率，以實現不同功率等級應用。
除了能夠選擇柵極驅動器拉電流和灌電流之外，6EDL7141 具有創新和獨特的驅動轉換速率控制功能，通過控制柵極驅動電壓的上升斜率和上升下降時間，以優化電池供電應用中的 EMI 和開關損耗。動態優化 dv/dt 能夠以最佳性能使用 MOSFET。這可以極大降低開關損耗並有利於工作頻率提升。
PWM 模式以及制動方式
6EDL7141 提供 4 種不同的 PWM 模式和一個變種模式，以滿足不同的 MCU 需求。第一種模式是 6 PWM 模式，通過使用來自 MCU 的 6 個 PWM 信號以最經典方式驅動柵極驅動器。
6EDL7141 還具有其他 3 種模式，通過智能化來簡化 MCU 側的 PWM 生成。這些與集成的保護功能一起，為驅動器應用帶來了高可靠性和更快的開發過程。智能死區時間控制將確保在任何情況下都不會發生擊穿。高度可配置的制動模式提供對電機或系統事件實現安全響應。不同的 PWM 模式是通過 SPI 來設定。
圖5 4種不同的PWM 模式
而在制動時，6EDL7141 將在制動事件發生時將柵極驅動器輸出設置為預定義狀態，在與 XMC1400 或其他 MCU 集成時，可以通過內部和外部的雙重製動，來提高系統的可靠性。外部的制動即是由外部 MCU 或系統中的任何其他故障源處理。6EDL7141提供以下幾種制動模式，如圖6所示。
// 高側制動——所有上管導通，下管關斷
// 低側制動——所有下管導通，上管關斷
// 交替制動——在高側和低側制動之間交替進行
// 高阻——所有輸出均設置為高阻抗
逆變器的直通問題需要極度關注，死區時間的智能化處理也是有效防止器件直通的有效手段，6EDL7141 死區時間可以編程設定，上升沿死區時間和下降沿死區時間可獨立編程(通過 SPI 實現)。在編輯設定死區時間時，需要確保死區時間足以滿足轉換速率的配置和所選擇的 MOSFET 的要求。
圖6 制動模式
圖 7 6EDL7141 內置保護邏輯細節
6EDL7174 內部集成了 3 個具有可調偏移和增益的運算放大器，可用於通過分流電阻器測量逆變器中的電流。如圖 8 所示，它支持單、雙或三組分流檢測。同時具有 3 個可調節抗尖峰脈衝功能的霍爾傳感器比較器，這樣可以實現可調節的保護參數設置以適配不同的系統功率、不同故障保護閾值設置。
其中 OCP 過流保護是電機應用中一個極為重要的保護特性， 6EDL7174 其內部的 OCP 比較器機制具有集成高精確的 DAC 參考電壓，正 OCP 和負 OCP 功能，PWM 截斷，帶抗尖峰脈衝定時器，故障觸發事件配置等。當然 OCP 過電流保護也存在如下位置：如在分流或 Rdson，DVDD，LDO OCP，降壓轉換器 OCP 等位置。同時晶片供電的 UVLO也沒有缺失，如 PVDD、柵極驅動器電源、DVDD LDO 的欠壓鎖定保護，以及系統層面的過溫報警和保護關斷，可配置看門狗、基於霍爾傳感器輸入的轉子鎖定檢測，存儲器故障這些一起為電機控制實現系統化集成保護，提升了電機系統的可靠性。
圖 8 支持單(A)、雙(B)和三(C)組並聯電流檢測配置
對於故障保護的響應，也可以通過軟體配置，如制動，高阻，鎖存或不鎖存故障以適合不同的應用需求。
圖形用戶界面 (GUI) 工具
英飛凌為電機驅動控制設計提供了 GUI 工具，用戶可以通過 GUI 界面實現器件的選擇，參數的任意配置，這些只需要通過參數寫入即可以實現可視化的參數配置和效果，大大簡化和節約設計時間。調節後的參數可以存儲在 OTP 中。完成 OTP 操作後，還可以通過 SPI 命令更改一些配置，6EDL7141 提供高達 50 個參數可以通過 SPI 配置。
利用 GUI 和 SPI，即使是非專業電機控制設計人員也能輕易利用 6EDL7141 設計出優秀的電機控制系統。
圖 9 英飛凌電機控制 GUI
評估板加速設計上市過程
現 在 英 飛 凌 提 供 關 於 此 三 相 智 能 驅 動 器 的 評 估 版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH，此電機驅動板設計用於具有梯形波控制的電池供電無刷直流 (BLDC) 電機驅動器，用於無線電動工具等應用。該評估板與包含用於轉子位置感測的集成霍爾傳感器的電機配合使用，將 XMC1400 系列微控制器與 6EDL7141 三相智能驅動器 IC 和英飛凌功率MOSFET 相結合。從評估板的設計可以看出，由於高集成度，6EDL7141 減少了系統組元件數量和上市時間，同時顯著提高了功率密度、系統性能和峰值功率脈衝能力。
評估板具有完全可配置的操作參數，集成和可配置的板載電源和柵極驅動輸出，可配置的保護模式。內置調試器，直接連接到 USB進行調試，評估板可獨立運行或通過 Infineon電機控制 GUI運行。
此評估板其直流輸入電壓 12 V 至 24 V，額定 18V，最大輸入電流 30 A，峰值運行功率可達 500W。可作為包括無繩電動工具、園藝產品、自動導引車、電動自行車、無人機和電池供電機器人等電機控制應用設計參考。
圖 10 評估版 EVAL_6EDL7141_TRAP_1SH
小結
英飛凌的三相智能電機柵極驅動器 6EDL7141，以完善的集成度，多種集成功能，可大幅減少外部組件數量和成本，包括內置電源轉換器，智能驅動，傳感檢測，全面的保護提升可靠性，可配置的參數實施，為電池供電的電機驅動應用提供了方便快捷的設計，縮短產品設計開發周期和上市時間。
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