1KW英飞凌BLDC电动工具套装 -- 硬件分析

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在这里我给大家分享 我对 EVAL_SSO8_1KW_BLDC开发板 的硬件分析。
EVAL_SSO8_1KW_BLDC开发板包括三个部分，如下图：



根据优盘里的资料分析，其框图是这样：

一、电容滤波电路
这里选择 1000uF/35V电解电容，因为电机工作电压24V以下，所以电容耐压值选择35V。
二、驱动电路
这部分主要由半桥栅极驱动IC：2EDL05N06PF、低压功率MOS管：BSC010N04LSI、SuperSO8封装 芯片组成。
先说说MOS管吧，以下内容是从网络上收集的知识。
1、在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等。
MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。
2、MOS管导通特性
导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，使用与源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。
3、MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在DS间流过电流的同时，两端还会有电压(如2SK3418特性图所示)，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。
下图是MOS管导通时的波形。可以看出，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
4、MOS管驱动
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。
5、MOS管应用。现在的MOS驱动，有几个特别的需求，
1）低压应用
当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
2）宽电压应用
输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现输入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。
3）双电压应用
在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。
经过上面知识内容，我们再分析下英飞凌的驱动电路吧。
BSC010N04LSI是英飞凌OptiMOS系列的低功率MOS管，采用了SSO8封装，通态电阻值只有1.05mΩ。并且每个通道采用两个MOS管并联，这样可以降低导通损耗。我接触的相同封装、不同厂家的MOS管中，英飞凌的BSC010N04LSI相比来说，是通态电阻最小的MOS管。驱动电路为下图。

2EDL05N06PF是600V 半桥驱动芯片。

电路板的电路是这样的。

以上是驱动部分，是不是有这两个芯片做驱动，就可以完成对电机的控制了？
做过电机驱动的工程师，都曾经有
1：电机运行时有较大噪音，
2：启动时，有时MOS也会烧掉。
3：电机启动后，假设此时正转，如果给一个反转信号，电机反转，但是几次正反转之后，MOS烧坏。
等以上问题。
那是因为驱动时换相不对，PID没调节好，电路设计有问题、程序控制等会造成电机噪音较大、烧毁MOS管。
这里就讲到了控制电路。
三、控制电路。
控制电路由  AD8618四通道、轨到轨运算放大器、IFX27001TFV50线性稳压器、XMC1302。
XMC是英飞凌的微控制器，完美支持多种电机的控制应用。
32位 Cortex-M内核，32M -> 120MHz，强大的PWM，•支持电机应用中常见的所有传感器接口。
通过其内置的FOC原理及位置估算，电机转速可对负载的变化作出精确而快速的反应 ， 效率优化 ， 可进行位置控制 ， 驱动电机转矩脉动小、运转平稳。
英飞凌EVAL_SSO8_1KW_BLDC评估板，采用的是电流读取方法（MOSFET内阻），这样节省硬件成本（采样电阻），便于PCB Layout。如图示：


通过对硬件的分析，我对英飞凌的产品有了深刻的了解，尤其是MOS管和XMC系列微控制器。英飞凌对电机控制方面的产品做的非常出色，远远超过竞争对手。