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安森美半導體供稿 安森美半導體在電機驅動器領域有超過25年經證實的領先地位，自2010年以來售出了20多億片電機驅動器，是全球BLDC冷卻風機和全球白家電電機驅動器方案的領袖，擁有步進、直流和無刷直流(BLDC)電機驅動器的最寬廣的產品陣容，在售產品達400多款，并持續改進以實現零缺陷和符合不斷發展的ISO標準。 安森美半導體利用技術專長，致力于使電機驅動器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系統可靠性，如通過集成的方案、單電源運行、內置系統保護、小封裝等實現更小占位，通過低導通電阻/飽和電壓、同步整流、軟脈寬調制(PWM)開關、低功耗等實現更高能效，通過內置過溫、欠壓、過壓、過流、擊穿等系統保護和寬工作電壓范圍實現更高系統可靠性。 電機及其驅動器的基礎知識 電機分為交流電機和直流電機兩大類，其中直流電機市場潛力巨大，全球目標市場容量(SAM)超過10億美元，主要有步進、有刷和無刷等類別。步進電機易于控制位置，無需反饋，控制信號可以是簡單的PWM脈沖串，易于接口到MCU，但能效較低，有相對高的噪聲、震動和電磁干擾(EMI)等問題，通常通過微步數字通信克服這些缺點；直流有刷電機易于驅動，可通過PWM控制驅動速度，成本低，能效高，但容易磨損，使用壽命較短，會產生電刷火花和嚴重的EMI等問題，難以高速驅動； BLDC相對有更多的優勢，因為無電刷，轉子結構非常簡單和強固，所以噪聲低，無磨損，使用壽命長，可靠性高，且可高速運轉，但需要復雜的驅動電路，成本相對較高。 按集成度的不同，有3種電機驅動器方案：系統單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門極驅動器方案。SoC方案將DC-DC、門極驅動器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個芯片上，集成度高，適合空間受限的應用，簡單易用；ICS方案相對于SoC方案，沒有集成逆變器，因而可通過外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應用，靈活性較高；門極驅動器方案則只集成DC-DC、門極驅動器和反饋/保護，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的靈活度。 標準的BLDC方案 安森美半導體的BLDC電機驅動器方案已廣泛應用于計算機、服務器、電動工具、打印機、冰箱、微波爐和汽車等應用。如圖1所示，根據輸出電流和電壓范圍的不同，我們標注出了不同的BLDC電機驅動器方案更適合的應用。 
圖1：安森美半導體廣博的BLDC電機驅動器方案陣容 更高能效、更低噪聲：單霍爾180度系列BLDC電機驅動器 能效標準在不斷提高，同時消費者還希望產品能更平穩、低噪聲的工作。為幫助設計人員解決這些挑戰，安森美半導體推出3款180°正弦波驅動3相BLDC電機的器件：LV8811、LV8813和LV8814(如圖2所示)，適用于家電如冰箱的散熱風扇，游戲機和計算設備，這3款器件可由單個霍爾傳感器控制，降低系統成本，導通電阻低至0.5 Ω，超前角易于調整，提供PWM軟開關和同步整流，因而可實現更高能效。在系統可靠性方面，此3款器件結合過流、過壓、欠壓和過溫等保護功能，還包括鎖定轉子保護和自動恢復機制，集成度高，簡化電機控制電路設計，減少噪聲和振動，軟啟動和關斷功能確保持續的工作穩定性。此外，這3款器件高度靈活，可通過一個直流電壓或PWM輸入進行速度控制，還可設定最小PWM占空比，無需軟件因而省去軟件開發時間。
圖2：單霍爾180度BLDC電機驅動器框圖及封裝外形圖 1. LV8811、LV8813和LV8814可滿足設計應用的不同需求 LV8811、LV8813和LV8814的最大電源電壓、最大輸出電流、REG引腳和HB引腳的最大輸出電流都是相同的，VCC工作電壓范圍分別為3.6 V至16 V、6 V至16 V，和3.6 V至16 V，低壓關斷閾值分別為2.5 V 、3.8 V和2.5 V。設計人員可根據不同的應用需求，選擇適合的型號。這3款器件最大的不同在于占空比：LV8811的啟動相對較復雜，其脈寬變化較為平滑，占空比從6%到5%，再到20%，最后到15%，可減少啟動時的震動；LV8813和LV8814的啟動PWM占空比則設定為從50%到25%，有助于提供啟動時較大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散熱盤的TSSOP20 封裝，LV8814采用未集成散熱盤的SSOP20封裝。 2. 單霍爾方案的啟動過程 首先，電機通過調整操作模式找到一個固定的位置，以減少由于依賴啟動位置的啟動故障。如果霍爾IC檢測到調整過程中的變化，會延長調整操作，然后在完成調整過程后立即執行180度驅動。如圖3所示，首先通過霍爾IC檢測轉子的極性(N或S)，然后根據檢測結果進入目標位置，隨后提出轉矩，開始轉動，通過檢測開關時間，最終開始正弦波驅動。
圖3：從單個霍爾IC中的信息，生成一組A至C和D至F的位置。 3. 單霍爾相對于其它驅動方式的優勢 對比3霍爾3相驅動器、單霍爾3相驅動器和無傳感器3相驅動器，3霍爾驅動器可靠性最高，速度快，但需要使用3個霍爾，占板面積和偏置電流較大，成本較高；無傳感器驅動器無需霍爾元件，占板面積小，結構緊湊，無偏置電流，但采用非正弦驅動方式驅動，可靠性和速度方面都低于霍爾類驅動；單霍爾驅動器則是3霍爾和無傳感器方案的折中方案。 表1對比了安森美半導體的單霍爾驅動方案LV8813與無傳感器BLDC驅動方案LV8804的工作電壓范圍、最大輸出電流Io、驅動方式、傳感器、速度控制信號、外部元件及調整元件。可以看到，LV8813在速度控制方面更靈活，所需的調整元件引腳更少更簡單。 表1：LV8813 vs. LV8804
LV8813采用軟啟動的啟動方式，在啟動調整時間1 s 后，開始以25%的占空比開始運轉，隨后轉向目標占空比的工作模式，該過程的變化速率為26%/s。由于LV8813采用180°驅動方式，工作時的正弦波形更為光滑、完整，而LV8804FV 采用150°驅動方式，波形會有一些毛刺和不規則。 此外，我們對LV8813和LV8804進行了能效測試。如圖4所示，當轉速低于1,100 rpm時，LV8804 和LV8813 表現出差不多的能效(電機A)，但當轉速提高到1,100 rpm以上時，LV8813 比LV8804能效更高(電機B)。
圖4：LV8804 vs. LV8813能效測試 步進方案 安森美半導體也提供步進電機驅動器方案，其中15 V以下的系列廣泛應用于玩具、監控攝像、冰箱、微波爐、煤氣爐、洗衣機、舞臺燈等，24 V系列則主要集中在工業應用，如打印機、自動販賣機、收音機、縫紉機、工業機器人等。圖5為安森美半導體的12 V以上和3-15 V H橋/步進電機驅動器陣容。
圖5：安森美半導體的H橋/步進電機驅動器陣容 汽車BLDC方案 除了傳統的BLDC和步進應用，安森美半導體還專注于汽車BLDC應用領域，如各種泵、自動空調(HVAC)風機、座椅風扇、散熱器風扇、LED大燈風扇等，可針對不同的功率級別提供相應的BLDC方案。如適用于油泵、水泵、散熱器風扇、HVAC等應用的無傳感器150度3相BLDC 預驅動器LV8907，內置門極驅動、LIN收發器和低壓降穩壓器(LDO)，將占板面積減至最小，配合外部功率MOSFET可實現不同的功率等級輸出。該器件通過了AEC-Q100認證，結溫最高達175 ⁰C，無需軟件，集成逐周期限流、過流保護、過壓/欠壓保護、過溫保護、堵轉保護等豐富的保護特性，可靠性極高。此外，LV8907可靈活地通過OTP設置實現單獨的工作模式和通過SPI進行實時控制。
圖6：LV8907框圖 總結 安森美半導體擁有強大的電機驅動技術及成熟的電機驅動市場經驗，寬廣的產品線覆蓋BLDC、步進電機和汽車等應用領域，并配合市場和設計人員的需求不斷創新，其最新的單霍爾180度BLDC驅動系列LV881X，通過180°正弦驅動提升電機系統能效及減小噪聲，并省去軟件開發，節省開發時間和工作量，為冰箱的散熱風扇及游戲機和計算設備等驅動應用提供理想的方案。 |
