ROHM课堂丨什么是无刷电机驱动器

发布时间:2026-08-20 11:34
作者:AMEYA360
来源:ROHM
阅读量:628

本文将从技术角度出发,对三相无刷电机的电机驱动器的作用、种类和规格进行介绍。通过本文,您可以学习到电机驱动器选型所需的基础知识。

“什么是无刷电机驱动器”面向的是那些“想要尝试使三相无刷电机运转”以及想要了解“电机驱动器是什么?”的电机初学者,介绍使无刷电机运转所需的电机驱动器究竟是什么、有哪些种类及其各自的特点等电机驱动器的基础知识。

本文所介绍的是在选择和使用电机驱动器时需要预先掌握的知识,推荐那些为了理解电机驱动器的特点和规格而想要学习所需基础知识的读者阅读。另外,如果想了解电机转动的原理或者为了使其转动需要做什么等电机的基础知识,请先参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“初识电机”。

“什么是无刷电机驱动器”的内容

  • 对三相无刷电机的要求

  • 电机驱动器的作用

  • 电机驱动器的结构(形态)

  • 控制器(通电波形)

  • 控制器(位置检测和控制功能)

  • 功率晶体管

  • 栅极驱动器

  • 用途和特点

  • 电机驱动器示例

  • 最后

下面,首先介绍一下“对三相无刷电机的要求”。

对三相无刷电机的要求

电机被用于驱动从工业领域到车载、家电、玩具等领域的各种产品。因此,电机通常需要满足“效率”、“振动噪声”、“控制性和易用性”、“可靠性”和“成本”等方面的要求。本文所讨论的三相无刷电机(以下简称“无刷电机”或“电机”)能够全面且高水平地满足这些要求,因此近年来得到了广泛应用。

下面对这些要求进行逐一介绍。

效率

这里的效率是指电机输出相对于输入(功率)的比例。高效率电机可以说是一种损耗较小、有助于实现节能的电机。


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振动噪声

如果电机产生的转矩存在脉动,就会引起振动。当该振动传递到电机的配套设备上时,可能会产生噪声。另外,电机本身也可能发出声音。对于要求静音性能的设备,通常会配备低振动、低噪声的电机。


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控制性和易用性

这里的控制性是指对目标旋转工作和转速进行调节的便捷性、响应敏捷性以及对指令的跟随能力。电机不仅要能转动,还需要控制转速和转矩。另外,其控制的指令的易操作性、自动化程度、变动范围等,将电机安装到设备时的简便性也备受关注。


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可靠性

可靠性要求电机不易损坏、特性不发生变化、不发生误动作,也不会危险运行。对于电气噪声和电磁噪声,不仅需要电机具备承受噪声时的耐受能力,而且其发出的噪声也必须在容许范围内。


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成本

成本是指原材料费用和零部件价格,而减少材料用量和零部件数量也是关乎环保措施的重要考量。


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电机的设计需满足其配套设备的性能要求。但是,若要使包括成本和资源在内的所有项目都达到非常高的水平是很困难的,或者也可以说是性能过剩。通常,性能要求是有优先级的,并且该顺序会根据配套设备的不同而有所变化。因此,设计人员需要在掌握包括电机在内的整个配套设备的基础上进行设计。

电机的性能是由机械性能(这里指由磁铁和铁芯等材料和结构决定的电机性能)和控制性能(由电机驱动器的功能和特性决定的电机性能)两者共同决定的。电机驱动器之所以存在多种类型,可以说是因为电机驱动器会影响电机特性,并且在进行整体设计时,对其要求也会发生变化。


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接下来我们将在上述内容的基础上,介绍电机驱动器的作用。

电机驱动器的作用

无刷电机是通过电路对线圈施加电压或电流来生成基于线圈(电磁铁)的旋转磁场的,因此是一种必须使用电路(电机驱动器)的电机。

这种旋转磁场的生成是最基本的工作。除此之外,电机还要求具备下图所示的性能和功能。


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为了实现这些性能和功能,电机驱动器承担着如下所述的作用。电机驱动器能够自由调节输出的电压值,利用这一性能,不仅可以进行电机的输出调节,还可以通过抑制转矩脉动提升静音性能、通过调整电压施加时序来减少损耗以高效获取转矩的控制、抑制旋转波动的转速控制以及支持在无法安装位置传感器的环境下的无传感器控制等。


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上述作用仅为部分示例。此外,实现这些作用的手段也多种多样。因此,在选择电机驱动器时,需要同时了解所需的功能及其实现方法。

接下来,我们将介绍承担这些作用的电机驱动器的电路结构。

电机驱动器的结构(形态)

电机驱动器的基本电路结构如下图所示。电机驱动器向电机线圈供电的作用是通过名为“功率晶体管”的电子器件来实现的。功率晶体管是指能够处理较大功率的晶体管。下图展示的是N沟道MOSFET的电路符号,但有时也会使用P沟道MOSFET、IGBT(N沟道或P沟道)或双极晶体管(PNP或NPN)。该功率晶体管连接电源,起到电气开关的作用。与电源正极相连的功率晶体管被称为“上臂晶体管”或“高边晶体管”等。与负极(接地端或Gnd端)相连的功率晶体管被称为“下臂晶体管”或“低边晶体管”等。通过高边和低边晶体管的任意一个导通,来决定施加到线圈上的电位。三相无刷电机通常使用3对(共6个)功率晶体管。

负责控制这些功率晶体管导通和关断的是控制器。通常采用IC(集成电路:Integrated Circuit,此处指不使用软件的控制器)或微控制器(Microcontroller,此处指使用软件的控制器)。控制器在考虑转子位置和从外部来的指令的同时,决定施加给线圈的电压,并生成功率晶体管的导通和关断指令信号(下图是使用霍尔元件确定转子位置时的电路示意图,霍尔元件安装在能够检测转子磁通量的位置)。

除了这些电路之外,还会使用连接控制器和功率晶体管的栅极驱动器。栅极驱动器的主要作用是将来自控制器的指令信号的电位和极性,转换为足以使功率晶体管工作的电位、极性和电流量。
这些电路的详细说明将在后文阐述。


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这些电路模块以下表所示的单一功能或复合功能的形式被集成到IC中。因此,电机驱动器就是由其中一个或多个IC组合而成的。

组合方式需要从易用性、设计变更的灵活性、封装尺寸、电路板上的布线数量(难易程度)、外围电子元器件的数量、每个电路模块的耐压差异和温升(散热效果)等角度综合考虑,因此,无法一概而论哪种组合方式更为优越。关于下图所示结构示例的特点,请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“Sugiken老师的电机驱动器课堂”的“第10集 电机驱动器的结构”。


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这里先介绍一下施加在电机驱动器各电路模块上的电压。首先,施加于无刷电机线圈上的电压会受到电机机械模块特性的影响。有的电机仅需低至3.3V的电压,有的则需要高达340V以上的电压。为了在线圈上施加该电压,功率晶体管需要具备更高的耐压。

驱动该功率晶体管的栅极驱动器电路,会承受与功率晶体管同等或更高的电压。例如,为了使高边的N沟道MOSFET导通,需要比施加在功率晶体管上的电压更高的电压。

与上述两个电路模块不同,控制器不依赖于电机特性,且通常在相对较低的电压下使用。

基于以上原因,施加到电机驱动器上的电源电压,有时会使用高电压和低电压两个系统,有时也会仅使用一个相对较低的电压系统。这种电压差异也是判断电路模块的结构(是采用一体化封装还是多个元器件组合)的依据之一。


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另外,施加在电机线圈上的电压大小是综合考虑配套设备的电源环境、功率转换效率、线路的容许电流、电机特性和可靠性等因素进行设计的。

下面介绍一下各个电路模块规格的主要特点。

控制器(通电波形)

无刷电机的电机驱动器中,通电波形是需要关注的规格之一。这里的通电波形是指施加在线圈上的电压波形。无刷电机通过这个施加的电压使线圈中流过电流,并产生旋转磁场。该旋转磁场的工作会影响电机的输出转矩,因此通电波形可以说是一项非常重要的规格。该通电波形是由控制器生成指令,并通过导通和关断功率晶体管而产生的。因此,配备了控制器模块的电机驱动器器件会标明通电波形的规格。

下图展示了电机驱动器的基本通电波形。

120度通电是指将通电模式的一个周期设为360度时,在120度的区间内高边导通或低边导通,在60度(两处)处于关断状态的通电波形。有时也被称为“120度矩形波”。从控制电路的角度来看,这种通电波形生成相对简单,但输出转矩存在脉动。

150度通电是指在150度的区间内高边导通或低边导通,在30度(两处)处于关断状态的通电波形。有时也被称为“广角通电”。这种通电波形的控制电路比较复杂,但比下述的正弦波通电更易生成,并且具有能够抑制输出转矩脉动的特点。此外,为了进一步抑制转矩脉动,也有不采用单纯的矩形(方形)而改变形状的通电波形。这种波形有时也被称为“梯形波通电”等其他名称。

正弦波通电呈正弦波形状。有时被称为“180度通电”,但可能与180度矩形波(本文未详述)混淆,因此需要确认。这种通电波形的控制电路更为复杂,但电流波形为正弦波,理论上可以消除转矩脉动。


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这里介绍一下可称为通电波形生成基础技术的PWM控制。PWM控制称为“脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)”,是调节施加电压的方法之一。通过调节规定时间内高边和低边功率晶体管的导通和关断比率,将期望比例的电源电压作为平均电压施加到线圈上。例如,规定时间设为50us,其中40us为高边导通,10us为低边导通,则平均电压为80%。此外,高边和低边功率晶体管的导通和关断工作有多种类型。有根据比率使高低边互补导通的方式(一方导通则另一方关断,但需设置死区时间),有仅导通和关断高边而低边保持关断的方式,以及相反的高边保持关断而仅导通和关断低边的。关于这些控制的特点,请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”内的另一篇文章“电机相关术语集”中对“互补PWM”、“单边PWM”、“死区时间”等术语的详细解说。

使用这种控制方法,可以在120度通电方式下调整施加电压的大小。另外,若在360度的区间内使比率呈正弦波规律变化,就可以实现正弦波通电(这也是正弦波通电的控制电路更为复杂的原因之一)。


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上述正弦波通电的波形呈正弦波形状,但正弦波通电还有其他的通电波形。

下图所示的双相调制正弦波,是大多数正弦波通电规格的电机驱动器IC所采用的波形。图中展示了施加到无刷电机U相和V相线圈的电压波形,以及U-V相之间(线间)的电压波形。双相调制正弦波虽然每相的电压不是正弦波,但线电压为正弦波。与常规正弦波(纯正弦波)相比,其特点是通过PWM控制使功率晶体管的开关范围较窄(降低开关损耗),并且可以增大线间电压的振幅(提高电压利用率)。


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对于正弦波通电,波形的分割数(分辨率)也是一项规格指标。这里的分割数是指360度内波形变化的次数(见下图)。分割数越多,正弦波形越平滑,但控制电路也越复杂。此外,即使分割数很多,也无法生成超出前述PWM控制的每个脉冲所能实现的施加电压比率的性能波形。


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控制器(位置检测和控制功能)

用于无刷电机的控制器,因转子位置检测方法、指令规格以及内置控制功能等的不同而存在多种类型。本节将对以下项目进行介绍。


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位置检测

通常,控制器通过确定(考虑)转子位置来生成通电波形。该转子位置的检测主要有两种方法,一种是使用霍尔元件,另一种是检测感应电压。后者由于不使用直接的位置检测传感器,因此被称为“无传感器”。关于霍尔元件的工作,请参阅前述“电机相关术语集”中的“霍尔元件和霍尔IC”词条。关于通过感应电压确定转子位置,请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”中的另一篇文章“电机疑问解答专区”的“为什么可以通过感应电压知道转子的位置”一文。

由于该规格的差异,控制器的信号输入引脚的数量会发生变化。下图是引脚的示意图。使用霍尔元件的控制器有6个或3个输入引脚,无传感器控制器则没有用于输入霍尔元件信号的引脚(有时会设有用于输入电机线圈电压的引脚作为替代)。


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使用霍尔元件的控制器之所以有两种,是因为使用了霍尔元件的电子元器件有两种不同的类型。这里,我们将其中一种称为“霍尔元件(作为电子元件的名称)”,另一种称为“霍尔IC”。

霍尔元件是一种将作为磁检测元件的霍尔元件的输入输出直接当作4个引脚进行连接的电子元件。在下图的①和③引脚间施加电压使电流流过时,根据穿过IC的磁通量,在②和④引脚上会出现如图所示的电压。通常,在采用霍尔元件的控制器中,会将这两个引脚的电压差作为磁通量检测结果使用。因此,这种规格的控制器为U、V、W各相均准备了P和N两个输入引脚(见上图)。

霍尔IC是将作为磁检测元件的霍尔元件的输出电压,通过IC内部电路进行信号处理,使其输出High和Low两种电位的电子器件。由于输出信号只有1个,因此采用霍尔IC规格的控制器的信号输入引脚为3个。(霍尔元件和霍尔IC等名称仅为示例,引脚名称也可能采用数字或+/-,如H1+、H1-或H1、H2等)


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使用霍尔元件(电子元件)规格的控制器,有时也支持使用霍尔IC。此时,在空着的输入引脚上输入基准电压(例如,如果向HUP输入High电压5V、Low电压0V的霍尔IC信号,则向HUN输入2.5V等)。但是,控制器引脚对输入电压范围是有规定的,因此使用时需要进行确认。

另外,在采用霍尔元件的控制器中,也存在仅使用1个或2个霍尔元件的规格型号。

在无传感器方式中,通过检测感应电压的相位来确定转子位置(虽然还存在其他无传感器方法,但本文仅对感应电压检测进行说明)。感应电压可以在电机处于旋转状态且目标线圈没有电流流过时,作为线圈引脚的电压被检测到。因此,如果线圈引脚本来就已经连接到电机驱动器,则无需其他的信号输入引脚。


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对于采用检测感应电压方式的无传感器控制器,需要确认以下两种情况的规格:电机未旋转时的应对策略(未产生感应电压时的应对),以及为了检测感应电压必须使线圈电流为零的应对策略。特别是前者的电机旋转启动方法和后者的正弦波通电时的通电波形均因控制器不同而有所差异,因此需要根据应用需求选择更合适的控制器。

另外,在正弦波通电的控制器中,有时会标注名为“全正弦波”等的通电方式。这一表述是指相较于因检测感应电压而导致正弦波波形畸变的无传感器电机驱动器(控制器),这种控制器的通电波形能够保持正弦波形状而不产生畸变。

指令

控制器接收的指令信号包括输出电压大小、转速等调整值的指令。该指令信号主要有3种规格,分别是模拟电压、使用脉冲的High/Low比率(Duty)指令的脉冲信号和使用频率(周期)指令的脉冲信号。以下对各个信号分别进行介绍。

・模拟电压指令

控制器接收电压值作为指令。通常会设定指令电压值的上限值和下限值,通过该设定值与指令电压值的相对比较来决定指令信息。例如,上限值为5V、下限值为1V的规格情况下,将1V以下的指令视为0,5V以上的指令视为100(%),其间的值按比例决定。这种情况下,输入3V则为50(%),输入4V则为75(%)等。

如果这是输出电压大小的指令,那么通常驱动电路会在输入3V时输出50%的电压,输入4V时输出75%的电压。如果是转速指令,则需要确认控制器等的产品规格书中记载的指令值与转速关系的特性数据(图表等)后再使用。


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・Duty脉冲指令

接收Duty脉冲作为指令。这里的Duty脉冲是指在下图所示的一定频率的脉冲信号中,High所占比例发生变化(High与Low的比率发生变化)的信号,该比率即为指令。识别信号High和Low的电压电平(阈值)以及可输入频率的范围需确认所使用的控制器的产品规格书等。

如果这是输出电压大小的指令,那么通常指令的比率会直接反映出来。如果是转速指令,则需要确认控制器的产品规格书中记载的指令值与转速关系的特性数据(图表等)后再使用。


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・频率脉冲指令

接收频率脉冲作为指令。这里的频率脉冲是指在下图所示的脉冲信号中频率发生变化的信号,其频率即为指令。有时会将该频率转换为0到100的指令,用作输出电压大小或转速指令,但通常的控制方式是直接将此频率脉冲指令与电机的转速信息脉冲进行比较。具体来说,是将控制器生成的电机转速信息信号(频率根据电机转速变化的信号,由霍尔元件信号等生成)与指令信号的频率(周期)进行比较,控制电机转速使其与指令信号频率一致的方式。要掌握指令信号频率与实际电机转速的关系,需要确认控制器的产品规格书和电机的规格(极数等)。


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除了这些之外,有时也使用数据通信作为指令。

控制功能

本节简单介绍一下控制器中配备的各种控制和功能。

・转速信息输出

在装有电机的设备中,有些会利用电机的转速信息来实现电机控制。对于这类设备,控制器会输出名为“FG(Frequency Generator)”的信号作为转速信息。

FG信号是一种频率(周期)随电机转速而变化的信号。控制器通常输出采用单个霍尔元件信号(见下图)生成的信号(例1)或输出对三个信号进行处理后的信号(例2),也有些控制器可以在两者之间进行选择。以此方式生成的FG信号,电机每旋转一周的脉冲数会因其极数不同而不同。对于4极电机,每旋转一周的脉冲数为2个或6个脉冲;而对于8极电机,则为4个或12个脉冲。


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如果电机的配套设备所能应对的电机每旋转一周的脉冲数是固定的,那么要使用极数与此不匹配的电机,就需要设法改变FG信号的频率。有些控制器还具备该信号频率的转换功能。

・保护功能

控制器具有保护电机驱动器和电机的功能。下表列举了几种保护功能的示例。这些功能用于检测需要保护的状态或异常状态,并执行关断功率晶体管等工作。保护功能名称有时会有不同的叫法,因此不能仅凭名称来判断,还需要了解其内容。

保护功能

内容

主要工作




电流限制(抑制)

限制(抑制)流过晶体管和线圈的电流

调整输出电压

过电流

限制流过晶体管和线圈的最大电流

关断功率晶体管,在一定时间或PWM周期后恢复

过热

限制电子元器件的温度

关断功率晶体管,复位控制器部分动作,待温度下降后恢复

低电压

监测电压是否低于电路的工作电压

关断控制器或栅极驱动器动作,电压上升后恢复

过电压

监测电压是否超出电路的使用范围

关断功率晶体管,电压下降后恢复

堵转(锁定)

监测电机是否处于停转状态

关断功率晶体管

超速

监测电机是否超过规定转速

关断功率晶体管,转速下降后恢复

霍尔异常

监视霍尔信号是否有异常

关断功率晶体管

外部输入

接收来自外部(其他电路)的工作停止信号

关闭控制器的工作,并关断功率晶体管

・旋转方向切换

在保持转子位置检测用霍尔元件的安装位置固定(不变)的情况下,改变电机旋转方向的功能。即使输入给控制器的霍尔元件信息(N极和S极)相同,只要切换旋转方向的设置,线圈产生的电磁铁的磁极就会发生变化,从而使电机产生反向转矩。这里虽以霍尔元件规格的工作为例进行说明,但无传感器控制器中也有该功能。另外,实际电机是顺时针旋转还是逆时针旋转,取决于线圈和电机驱动器的连接方式以及霍尔元件的安装位置。


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・超前角控制

无刷电机通过持续在与转子位置对应的合适角度产生旋转磁场(由电磁铁产生的磁场),以获得更大转矩。如果这个角度存在偏差,即使电磁铁大小相同,所能获得的转矩也会降低。这意味着输出功率相对于输入功率的下降,从而导致效率降低。因此,控制器通过确定转子位置来调整施加在线圈上的电压时序。

但是,在实际使电机转动时,由于电枢反应和线圈电感,会产生电流延迟。补偿这种影响的功能就是超前角控制。由于该控制会使时序从初始的通电时序向比相位更超前的方向变化,因此被称为“超前角”(使角度提前)。


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这种因电枢反应和电感引起的电流延迟,会随电磁铁磁力的大小和电机转速的不同而变化,因此通电时序的提前量也需要相应进行调整。关于调整的规格,有多种方法。一种是控制器从外部接收超前角值指令的方法(直接指令)。此外,还有控制器利用转速、电压指令和电流大小等物理量来决定超前角值的方法(比例调整)。由于相对于物理量的更优超前角值因电机而异,因此有些控制器支持比例系数的设定。另外,比例的形式除了简单的线性比例外,也有从某个值开始改变比例系数,或进行二次比例的情况。还有一些控制器无需这些繁琐操作,能自动进行超前角调整(自动调整)。要实现这种方法,需要检测电流相位。


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・速度控制

至此,我们主要介绍了电机驱动器(控制器)接收输出电压指令,并向电机线圈施加指定电压的工作原理。另外,前文也提到通过输出FG信号(转速信息信号),使电机的配套设备能够实现转速调节,但部分电机驱动器的控制器内置了该转速调节功能。

此类控制器接收转速指令后,会与电机的转速信息进行比较,并自动调节输出电压。需要注意的是指令转速可能存在上限值和下限值。


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・待机

控制器在电机停转时仍保持电路运转,以便接收指令并启动控制工作。此时,电路中仍有电流流过,消耗电力。为了降低这种待机时的功耗,有些控制器具有停止部分电路工作的功能。该功能被称为“待机功能”、“降低待机功耗模式”或“节能功能”等。

・软启动

当电机驱动器的工作及电机处于停止状态时,如果接收到高电压指令(如100%输出电压指令等),高电压施加到线圈上会导致电流急剧开始流动。该电流的增加若引发过大转矩,可能会产生噪声和剧烈振动。防止这种情况发生的正是软启动。软启动是在电机启动阶段抑制电流急剧上升,使其逐渐增大的功能。

・短路制动

短路制动是指在电机旋转期间将线圈短路(电气连接),使生成负转矩的电流流过的状态。该功能通过导通所有高边功率晶体管或所有低边功率晶体管来使线圈短路。通常,与将所有功率晶体管关断以停止电机驱动相比,短路制动能使电机更快停止旋转。

下图展示了转子位于图示位置的瞬间,线圈中流过的电流、电磁铁以及生成转矩的方向。当所有低边功率晶体管导通时,会流过与正常驱动方向相反的电流,电磁铁的极性也反转,从而生成负转矩(转子停止旋转方向上的转矩)。

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另外,关于短路制动的更多信息,请参阅前述“电机相关术语集”中的“短路制动”词条。

至此我们介绍了与控制器相关的规格和功能。实际使用的控制器通常会配备上述部分规格和功能。在转动电机时,需要从这些控制器中选择符合应用需求的型号。

功率晶体管

在电机中,功率晶体管用于向线圈施加电压并流过电流。因此,其指标包括可施加的电压、可流过的电流、流过电流时的损耗以及导通和关断的开关速度(SW速度)。

下图是电机中常用的功率晶体管的种类和特点。双极型(双极结型晶体管)是一种通过使基极流过电流来实现导通状态的电流驱动型晶体管。导通状态下的损耗包括VCE(集电极-发射极间的电压)乘以集电极电流所得的功率和基极电流的功率。这是历史悠久的基础型晶体管,但由于无法进行高速开关,故不适用于PWM控制,近年来此类晶体管已经很少被电机应用采用。MOSFET是通过给栅极施加电压来实现导通的电压驱动型晶体管。其损耗为导通电阻(RON)乘以漏极电流的平方所得的功耗。该晶体管的优点是无需持续向栅极提供电流且开关速度快,缺点是当漏极电流增大时,损耗会呈平方级增长。IGBT是一种兼具双极晶体管和MOSFET优点的晶体管。由于是电压驱动,栅极电流消耗较低,损耗仅与电流的一次方成正比。缺点是开关速度中等。

近年来,以RON×电流与VCE的大小关系为分界点,在小电流应用中多采用MOSFET,而大电流应用中则多选用IGBT。


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接下来,我们以MOSFET为例说明电机中功率晶体管的结构。MOSFET有两种规格,分别被称为“N沟道(N型)”和“P沟道(P型)”。这两者在原理上的区别可以说是在于电流通过电子流动还是通过空穴(Hole)流动。由于这一差异,N沟道MOSFET的规格是相对于源极引脚(S),向栅极引脚(G)施加高于阈值的电压来使MOSFET导通;而P沟道MOSFET的规格是相对于源极引脚,向栅极引脚施加低于阈值的电压来使其导通。另外,如果要使N型和P型具有相同大小的载流特性,通常N型可做到比P型更小的尺寸。这也受是使用电子还是空穴的影响。


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在无刷电机的电机驱动器中,低边MOSFET通常采用N型。原因是低边MOSFET的源极电位是Gnd(接地)电位,生成栅极指令电压相对容易,并且如上所述,N型比P型尺寸更小。高边MOSFET既有采用N型的也有采用P型的。两者都会使用的原因是若使用N型,可以与低边MOSFET的特性保持一致(也能实现更小尺寸),但维持导通需要高于功率晶体管所连接电源(V)的电压;而若使用P型则无需高于电源(V)的电压,但相对于N型的尺寸更大(或者特性会改变)。从外部供给电机驱动器电路的电源,通常以功率晶体管所连接的电源电压为更高。因此,是否需要该电压以上的电压便成为关键选择之一。


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另外,施加在电机线圈上的电压及电流会因电机的配套设备和电机的特性而有所不同,因此需要选择能够满足电机所需电压和电流规格的功率晶体管。

栅极驱动器

栅极驱动器是将来自控制器的指令信号传递给功率晶体管的电子元器件。

下图是高低边均为N沟道MOSFET时的信号示例。控制器输出Low为0V、High为5V的指令信号。仅凭此信号无法直接导通和关断高低边MOSFET。如前文所述,N沟道MOSFET需要相对于源极施加阈值以上的电压,而高边MOSFET的源极电压有时会达到电源电压(下图中的VM)。在下图中,栅极驱动器将低边指令信号的振幅提升至VCC。该VCC需设定为远高于MOSFET阈值的电压。此外,使高边MOSFET导通的电压需达到VM+VCC。通常,栅极驱动器的输出能力,即其能提供和吸收的电流量,比控制器的输出能力要大。这是因为MOSFET的导通和关断需要一定的电流(该电流量不足时,MOSFET的开关速度可能会受到限制)。

综上所述,栅极驱动器的作用包括调整指令信号的振幅、调节成与电源电压(VM)相匹配的电位以及提升最大电流量。此外,如果高边是P沟道MOSFET,还会进行极性的反转。


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下面展示了实现上述工作的电路结构示意图。N沟道-N沟道型(N-N)的低边指令信号通过缓冲电路输出(这里的缓冲电路是指调整信号大小(振幅)和电流供应能力的电路)。高边的指令信号则先经由信号传输电路进行信号电平调整后,再通过缓冲电路输出。此时的电压也会使用高于VM的电压。

P沟道-N沟道型(P-N)的低边与N-N型相同。高边的结构示例如图所示,导通的指令会使缓冲电路后的晶体管导通。通过这一工作,高边MOSFET的栅极电压降低,从而实现导通。由此可见,根据功率晶体管是N-N型还是P-N型,栅极驱动器的电路结构也会有所不同。


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在N-N型电路中,需要比VM(功率晶体管高边的电源)更高的电压。该电压通常由电机驱动器内部的升压电路生成。此升压电路主要有以下两种类型。

一种是被称为“电荷泵”的电路。通过使VCP1引脚的电压在0和VM电压之间交替重复的工作,对电容器C2充电。通过这一工作,VCP引脚的电压将达到VM+VCC(不包括二极管的电压降),从而可作为升压电压使用。

另一种是自举电路。当低边功率晶体管导通且VS引脚电压接近0(Gnd电位)时,电容器C1会被充电。通过这一工作,使VB引脚相对于VS保持VCC的电位差,从而可作为升压电压使用。

关于这两种电路的工作和特点,请参阅本文所在的“Sugiken老师的电机图书馆”内的另一篇文章“Sugiken老师的电机驱动器课”的“第12集 电路的深度知识 <升压电路>”。


ROHM课堂丨什么是无刷电机驱动器

用途和特点

无刷电机被安装于各类设备中,并广泛应用于多种领域。例如,仅以部分家电和消费电子为例,电机就被应用于风扇、压缩机、洗衣机的滚筒、复印机的多棱镜和送纸器、电脑的驱动(硬盘和光驱)、吸尘器的吸力装置等场景中。

当使这些设备运转时,它们各自都有其特点和要求(限制)事项(或者非要求事项)。例如,风扇要求以恒定速度旋转,但对旋转波动和转速精度的要求并不严格。对旋转波动和转速精度有严格要求的是驱动与设备性能直接相关的部件(如多棱镜、送纸器和驱动器等)旋转的电机。压缩机要求无传感器控制,而吸尘器则需要较高转速。


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如果试图用一种电机驱动器来应对具有各种特点和要求(限制)的电机,可能导致性能过剩或者功能冲突。因此,电机驱动器有针对风扇或多棱镜等应用特点而设计的产品,具备与之相匹配的性能。

另外,输入至电机的功率电源(连接功率晶体管的电源)主要有两种类型:一种是将商用电源(AC100V或AC200V)整流后得到的直流电压,另一种是比该电压更低的直流电源。前者为DC140V或DC280V,有时被称为“高压(高电压)”;后者为DC24V、DC12V或DC5V等,有时被称为“低压(低电压)”。为了表明能够适配这些电压范围,有时会用“高压驱动器”或“低压驱动器”等用以表示电机驱动器额定电压范围的名称。

电机驱动器示例

本节我们将介绍ROHM官网产品信息页面中几款电机驱动器IC的规格、特点和主要应用领域。

・三霍尔低电压120度矩形波

BD63006MUV是一款全集成电机驱动器IC,推荐电压为8V~24V,可输出1.5A的电流。采用三个霍尔元件检测转子位置,通电波形为120度矩形波。可以通过施加Duty脉冲指令来调节输出电压。内置N-N型功率晶体管,通过电荷泵生成电压。

配备有节能电路、旋转方向切换、短路制动功能和各种保护功能,主要适用于OA设备及普通消费电子产品中安装的电机。


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单霍尔低电压正弦波

BD63251MUV是一款预驱动器(控制器+栅极驱动器),推荐电压为5.5V~15V,需搭配P-N型功率晶体管使用。采用单个霍尔元件检测转子位置,通电波形为正弦波。可以选择施加模拟电压指令或Duty脉冲指令的任意一种来调节输出电压指令(给功率晶体管的信号)。由于是P-N型,因此没有升压电路。

配备有自动超前角控制、固定超前角调节、软启动功能、旋转方向切换和各种保护功能,主要适用于服务器和电脑散热风扇中安装的电机。


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无传感器中电压正弦波

BD64070MUV是一款预驱动器,推荐电压为28V~77V,需搭配N-N型功率晶体管使用。通过感应电压的过零点(电压极性发生变化的点)检测转子位置,通电波形为正弦波(为检测感应电压,正弦波波形中有部分为断电区间)。内置速度控制(反馈)电路,可通过施加频率脉冲指令将转速调节至任意值。由于是N-N型,因此通过电荷泵生成电压。

配备有死区时间设置功能、节能功能、旋转方向切换、短路制动功能和各种保护功能。主要适用于风扇和普通消费电子产品中安装的电机。


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无传感器低电压正弦波

BD63242EFV是一款全集成电机驱动器IC,推荐电压为5V~16V,可输出1.0A的电流。通过感应电压的过零点(电压极性发生变化的点)检测转子位置,通电波形为正弦波(为检测感应电压,正弦波波形中有部分为断电区间)。可以选择施加模拟电压指令或Duty脉冲指令的任意一种来调节输出电压。内置P-N型功率晶体管,没有升压电路。

配备有旋转方向切换和各种保护功能。主要适用于冰箱风扇和普通消费电子产品中安装的电机。


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三霍尔正弦波

BD62018BFS是一款控制器IC,推荐电压为10V~18V,需搭配支持N-N型的栅极驱动器和功率晶体管使用。推荐电压为控制器IC电源电压,因此不限制栅极驱动器和功率晶体管的电压。采用三个霍尔元件检测转子位置,通电波形为正弦波。可以通过模拟电压指令来调节输出电压。控制器IC输出的功率晶体管通断指令信号,其极性是预设为N-N结构设计的。

配备有超前角调节功能、旋转方向切换和各种保护功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。


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高压栅极驱动器和功率晶体管(IPM)

BM6242FS是一款IPM(智能功率模块),推荐电压为400V以下,可输出1.5A的电流,需搭配控制器IC使用。内置N-N型功率晶体管,通过自举电路生成电压。

配备有各种保护功能和显示保护工作状态的信号输出功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。


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三霍尔高电压正弦波

BM6249FS是一款全集成电机驱动器IC,推荐电压为400V以下,可输出2.5A的电流。采用三个霍尔元件检测转子位置,通电波 形为正弦波。可以通过施加模拟电压指令来调节输出电压。内置N-N型功率晶体管,通过自举电路生成电压。

配备有超前角调节功能、旋转方向切换、各种保护功能和显示保护工作状态的信号输出功能。主要适用于风扇、泵类和家电产品中安装的电机。


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最后

以上就是“什么是无刷电机驱动器”的介绍。

无刷电机驱动器不仅在额定电压和额定电流等常规规格上存在差异,在转子位置检测方式、通电波形以及控制功能方面也有多种不同的类型。在选择电机驱动器时,需要从中筛选出符合应用需求和应用场景的产品,为此,了解所安装的电机和设备的知识以及电机驱动器的知识至关重要。

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ROHM丨LDO基础知识

  低压差线性稳压器(以下简称LDO)是一种半导体器件,是在输入与输出的电压差较小的状态下也能工作的线性稳压器的统称。LDO的特点是即使输入与输出电压差很小仍能获得稳定的输出,因此被广泛应用于电池驱动的移动设备以及注重低功耗和小型化的应用场景中。具体而言,在直接由锂离子电池驱动电路时采用LDO就是一个典型的案例。  本文我们将介绍LDO的工作原理与电路结构、设计时应考虑的规范和特性等内容,同时梳理在引入LDO时需要掌握的要点。  什么是LDO?(定义和基本原理)  LDO是一种即使在输入电压与输出电压之差(输入输出电压差)较小的情况下,仍能维持一定输出的线性稳压器。与普通的三端稳压器相比,其显著特点在于所需输入电压的裕量更小。本节我们将简要回顾LDO的定义和历史背景,并介绍其被众多设备广泛采用的原因。  LDO的含义与由来(“Low Dropout”的词源与定义)  LDO是“Low Dropout Regulator”的英文首字母缩写,表示其具有低压差。压差是指“维持稳定的稳压所需的最小输入电压与输出电压之差”。一般的传统线性稳压器通常需要比输出电压高数V的输入电压,而LDO可将这一差值控制在数百mV,有些产品甚至可至数十mV。大多数LDO内部包含通路元件(双极晶体管或MOSFET)、误差放大器及保护电路,能否满足各项规格(输入电压范围、输出电流范围等)是选型时的关键考量因素。  例如,在需要3.3V的输出而输入仅为4.0V左右的条件下,LDO仍有可能稳定工作。这种“低压差”有助于提高电源效率并减少热损耗,因此在追求节能与小型化的设备中发挥着重要作用。  与传统线性稳压器的区别  线性稳压器通过内部的通路元件(晶体管等)将输入电压中多余的电压以热的形式耗散掉,从而实现稳定输出。传统线性稳压器在输入与输出电压差较大时较易于设计,但当输入输出电压差变小时,则难以正常工作。  相比之下,LDO通过采用在线性(电阻)区域易于保持低导通电阻的晶体管等方式,使其即使在输入输出电压差很小时也能工作。具体而言,通过将双极晶体管或MOSFET以源极跟随器或射极跟随器等结构工作,可以将压差电压控制在数百mV以下。  许多传统线性稳压器要求输入电压比输出电压高2V以上,其设计是以(输入电压 − 输出电压)较大的情况为前提的。而LDO即使在电池驱动等输入电压下降的应用中,仍易于保持额定输出直至极限状态,因而在节能与低发热等方面具有优势。  LDO备受关注的理由(低压差、低功耗、小型化等)  LDO受到关注的原因主要有以下几点:  低功耗:压差电压越低,浪费的功耗就越少。  热设计简化:通过抑制输入输出电压差,可减少产生的热量,有时使用小型散热片即可。  小型化与电池工作:在移动设备等应用中,即使电池的电压下降,仍易于维持工作。  噪声方面:与开关稳压器相比,不易产生高频噪声。  因此,LDO被广泛应用于从电池驱动应用到通信设备以及工业设备等诸多领域。本节主要总结了概念性的理解,后续章节将进一步详细介绍其电路结构和工作原理。  LDO的电路结构和工作原理  LDO在通过反馈控制来保持输出电压稳定方面,与普通的线性稳压器相同。然而,为了将输入输出电压差控制得较小,在其内部结构、所用晶体管类型及保护功能等方面均采取了特殊设计。本节将介绍LDO的主要电路模块,并阐述其能够实现低压差的原理。  主要模块(通路元件、误差放大器、保护功能)概述  LDO的结构本身相对简单。通过组合以下主要模块来维持恒定的输出电压。  通路元件(Pass Element)  使用双极晶体管或MOSFET来控制从输入到输出的电流。近年来,也有很多LDO通过内置电荷泵或控制电路等特殊设计,使其即使在较低的栅源电压下也能驱动。  误差放大器(Error Amplifier)  监测输出并与参考电压进行比较,从而控制通路元件。其增益特性与响应速度对精度和瞬态响应有很大影响。  保护功能  内置过流保护、过热保护及反向电流保护等功能,确保LDO自身的安全性和对负载端的保护。  压差电压的原理  LDO特点——压差电压的定义为:通路元件在提供电流的同时能保持正常控制的最小输入输出电压差。例如,对于使用PNP晶体管的LDO,其发射极-集电极间电压与基极-发射极间电压在临近饱和状态工作时的总和会决定压差电压。其简单的模型公式如下所示。  低噪声设计和反向电流保护的要点  与开关稳压器相比,LDO具有高频噪声更少的优点。但是,根据通路元件的选择及内部电路结构的不同,双极晶体管的基极电流路径或参考电路的噪声也可能成为问题。设计时需要考虑的要点如下:  旁路电容器  在参考电路或误差放大器的电源引脚附近接入小容量电容器,以去除噪声。  布局优化  合理配置输入输出电容器,优化GND布线,以抑制尖峰和纹波。  反向电流保护(Reverse Current Protection)  若电流从电池反向流入稳压器,会导致误动作或损坏。可添加保护二极管或开关器件等进行防护。  LDO的种类和主要参数  LDO根据其内部所用元件和设计思路,可分为多种类型。同时,在选型时也存在一些需要共同评估的参数。本节将对LDO的代表性种类以及评估其性能时不可或缺的主要参数进行梳理介绍。  按电压范围分类(高电压和低电压适用)  LDO的特点是低压差,但其输入电压范围的跨度较大。例如,既有适用于5V以下工作的电池驱动的低电压LDO,也有适用于超过30V或40V高输入电压的车载及工业设备的LDO。支持高电压的LDO,其功率晶体管通常具有更高的耐压和更强的保护功能。而对于生成1V左右等超低电压领域的LDO,其在MOSFET的基础上对栅极驱动进行优化,从而将压差降至极限。  低噪声、低静态电流、PSRR、线性调整率和负载调整率  低噪声和低静态电流  低噪声型  适用于为模拟电路或无线电路供电等时,噪声对信号质量影响较大的应用场景。其设计降低了参考电路和误差放大器的噪声,并尽量抑制了通路元件的开关噪声。  低静态电流(Iq)型  目的是通过将待机时的消耗电流控制到很小来延长电池的驱动时间。有些产品通过小容量电容器和简化的内部电路结构,将静态电流控制在数µA以下。  PSRR(Power Supply Ripple Rejection)  PSRR是衡量输入侧的纹波或噪声有多大程度传递至输出侧的指标。通常以频率特性表示,尤其在数十kHz以上的高频区间的PSRR备受重视。例如,在音频电路或高精度模拟电路中,选择PSRR高的LDO可减少电源噪声的影响,有助于提高精度。其定义如下:  负载响应  负载电流骤变时输出电压波动的大小及恢复所需的时间。受误差放大器的速度、输出电容器的容量和内部电阻等因素影响。  瞬态响应  电压暂时出现过冲或下冲的现象。在需要高速响应的应用场景(如高速数字电路)中,可能成为大问题。  启动特性  LDO在通电时输出电压上升过程中的动作。为避免急剧上升对负载造成不良影响,部分产品具有软启动功能。  近年来,还出现了将控制IC与周边电路集成于一体的LDO模块,这种减少电路板安装工序和外置元件选型工作量的方法备受关注。此类模块型产品的工作范围和散热设计明确,适合重视开发速度的应用场景。  LDO与其他方式的比较及选型方法  除了LDO之外,还有多种电压调节方式,每种方式各有其优缺点。本节将通过与经常被比较的开关稳压器和传统线性稳压器进行对比,重新确认LDO的特点,并梳理出不同应用场景的选型要点。  开关稳压器 vs LDO(功耗和效率比较)  开关稳压器通过脉宽调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)等方式使开关器件高速导通和关断,经由电感和电容器形成输出电压。代表性方式有降压(Buck)、升压(Boost)与升降压两用(Buck-Boost)等。在晶体管与二极管(或同步整流MOSFET)损耗更小时流通电流,从而实现高效率,效率超过80〜90%也并不罕见。  另一方面,开关稳压器通常需要电感和大容量电容器等外置元件,占用安装空间且电路设计复杂。此外,高速开关容易引发噪声(EMI)与纹波,因此需考虑通过屏蔽或优化布局予以抑制。  传统线性稳压器 vs LDO(与三端稳压器等的区别)  传统线性稳压器设计时,通常要求输入电压留有约2~3V的裕量,并以通路元件在远离饱和区的状态下进行控制为前提。而LDO则通过将通路元件的工作点推至接近饱和的状态,从而成功地将压差控制到数百mV以下。  通路元件的选择与结构  传统线性稳压器为实现控制,通常在基极–发射极电压或集电极–发射极电压上留出一定裕量;而LDO通过采用MOSFET使其在栅源电压较小时也能工作,或通过电路设计使双极晶体管也允许在接近饱和状态下进行控制等,以此降低压差电压。  反馈电路的优化  传统线性稳压器的控制特性相对宽松,而LDO则通常通过优化误差放大器的偏置电压和内部参考源设计,确保在较低电压差下仍能实现稳定控制。  应用领域的差异  传统线性稳压器多用于将AC适配器等较高的输入电压降压并轻松实现稳压的应用场景,而LDO则在电池驱动或使用1~2V低电压的数字IC等要求低电压和低功耗的环境中更具发挥优势。  不同应用场景中考虑的LDO选型要点  LDO的主要选型要点如下:  所需的输入输出电压差  当电池的终止电压(最低电压)接近输出电压时,必须选择压差电压小的LDO。  可容许的发热量  由于LDO的(Vin – Vout)× Iout会转化为热,因此散热设计和封装的选择很重要。  噪声敏感度  在模拟电路或高频电路中,PSRR和低噪声特性尤为重要。  消耗电流  对于希望尽量降低待机电流的应用场景,优先选择低Iq型。  负载波动和响应速度  对于有急剧负载波动的电路,建议选用瞬态响应性能优异的LDO。  LDO设计和安装中需掌握的关键要点  在实际将LDO嵌入电路时,应参考产品规格书中推荐的元件和布局指南,进行满足各项特性的设计。本节将逐步介绍典型的设计流程和注意事项。  电路示例和设计流程(基础设计~元件选型)  LDO的设计流程大致遵循以下步骤:  确认输入输出电压范围  根据是电池驱动还是AC适配器等,掌握预期电源的最小和最大电压。  确认所需的输出电流和负载特性  掌握最大负载电流将达到多少A,并了解瞬时负载波动幅度。  确认LDO候选产品  参考产品规格书,寻找满足压差电压、PSRR、消耗电流、保护功能等要求的产品。  选择外围元件  由于输出电容器的容量和ESR范围直接关系到LDO工作的稳定性,务必确认制造商的推荐值。  热设计  结合封装和安装条件,计算(Vin – Vout)× Iout是否在容许范围内。必要时考虑扩大铜箔面积等散热措施。  外围元件选型(输入与输出电容器、防反向电流二极管等)  LDO的输出电容器对于确保相位补偿与误差放大器的稳定工作至关重要。产品规格书中通常会写明推荐容量和ESR范围,若偏离这些范围,可能导致振荡或瞬态响应恶化。  输入电容器用于辅助瞬时电流供应以及抑制输入电源的纹波。通常采用数µF的陶瓷电容器,但若预计存在较大的负载波动,有时可追加更大容量的电容器。  防反向电流二极管在存在电池等备份电源时需要考虑使用。在多电源切换的设计中,通常会加入二极管以防止电流通过LDO的通路元件发生反向流动。  布局和布线的注意事项(噪声对策和GND布线等)  虽说LDO基本上噪声较少,但仍建议在布局时注意以下事项:  确保最短路径  将输入电容器和输出电容器安装在LDO引脚附近,以减少不必要的布线电感和寄生电阻。  统一管理GND布线  根据需要将电源GND和信号GND分离,防止噪声混入测量系统。  确保热扩散  若有散热焊盘,应在电路板内层或背面设置过孔,以促进散热。  保护功能的运用和电源时序(按需简要使用)  LDO通常配备过流保护、过热保护等安全功能,但重要的是不要过度依赖这些功能,而应评估实际环境中可能出现的过载程度后进行选型。  另外,对于多电压的CPU和FPGA等需要多路电源线按顺序启动时,有时会使用LDO的使能引脚进行时序控制。结合延时电路或微控制器控制,使所需电源适当启动,从而提升系统运行的可靠性。  LDO的最新技术动向  近年来,在LDO领域,针对更严苛的低功耗要求与缩减安装空间的需求日益增多,以下新的技术方案备受关注。这些技术通过实现“超小容量输出电容器的适用”和“高速负载响应性能的提升”,正在逐步克服传统LDO难以应对的难题。  使用很小容量的电容器也能稳定工作的技术  技术概要  传统LDO为确保稳定工作,通常需要1µF左右的输出电容器。最近,通过对模拟电路寄生分量的彻底优化,改进误差放大器和布线,出现了使用nF量级的电容器也不会发生振荡的控制技术。  主要优势  减少元件数量和安装空间:可大幅减少输出电容器的容量与数量  降低成本:通过电容器小型化或数量削减,有望降低成本  提升可靠性:通过减少汽车与工业等领域中常用的电容器安装数量,降低元件故障风险和安装不良风险  实现高速负载响应的技术  技术概要  为了在负载电流急剧变化时将输出电压的波动幅度控制在更小范围,已开发出提升LDO内部反馈电路与误差放大电路速度的技术。代表性的方法是通过将控制系统和补偿系统分离或组合多级专用放大器,从而在避免发生不稳定振荡的前提下,将响应速度提升至极限。  主要优势  提升电源品质:可迅速响应数字IC急剧的消耗电流变化和高精度模拟电路的瞬时负载波动  优化电容器容量:即使不采用大容量电容器,也能获得足够的响应性能,从而提升设计灵活性  持续演进与未来展望  新技术的结合  通过将“适用很小容量的电容器”和“高速负载响应技术”相结合,正逐步实现例如采用nF级电容器时,仍可在急剧的负载波动下保持稳定输出的LDO。  应用领域的扩展  物联网设备和可穿戴设备等需要兼顾低功耗和小型化的应用需求预计将持续增长。此外,在汽车和工业设备领域,不仅要求缩小安装空间,还需实现更高可靠性(满足温度特性和耐压等安全标准),这使得配备上述先进技术的LDO受到越来越多的关注。  各半导体制造商正不断扩充集成了多个电源线的模块化LDO以及实现系统整体节能的解决方案,其应用领域正在不断扩大。  总结  LDO能够在保持输入输出电压差较小的状态下工作,因体积小、低噪声、节能而被应用于各类设备。适用于移动设备、车载设备和工业设备等各种领域中需要低功耗和散热对策的电路。
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ROHM丨容性电路基础:从电容器的串联和并联加深理解
  容性电路是指利用电容器暂时储存电荷的特性,具有平滑电源电压的纹波、通过旁路高频噪声分量实现降噪、以及阻断直流仅耦合交流(信号分量)等功能的电路总称。恰当地连接和布置电容器,可降低高频区域的噪声并使电源更稳定。在实际设计中,为满足所需的容值、耐压和高频特性要求,常常将多个电容器通过串联或并联的方式组合,作为合成电容来处理,这也是理解容性电路的首要关键点。智能手机的触控屏和各种0滤波电路等,都是容性电路的典型应用实例。本文将先介绍合成容量(串联、并联),随后展开讲解RC响应及容抗,从容性电路的物理原理到实际设计中的注意事项,系统性地进行阐述。  容性电路基础  电容器(Capacitor)是在“容性电路”中承担核心作用的元件。电容器具有储存电荷并形成电场的特性。在电路图中用两条平行线表示,其基本原理在于分离并存储电荷。通过考察电容器在从低频到高频的宽频率范围中的表现,可发挥其滤波、耦合、缓冲等多种作用。另外,电容器还具有对稳态直流不通导电流、仅对电压随时间变化时通导电流的特性。其结果是表现出阻断直流成分、通过交流成分的特性。  电容的数学表达式、电容电压及单位  通常,电容器的容量(电容量,Capacitance)被解释为“每1V电压下所能存储的电荷量”。用公式表示如下:  C=Q/V其中,Q表示电容器内储存的电荷,vc表示电容器两端的电压(即电容电压)。因此,Q=C·vc(当电压随时间变化时,可写为Q(t)=C·vc(t)。在下文中,电源的直流电压写为VDC,交流电源写为vs(t),电容器两端电压则作为vc(t)处理。  当电容器的电压在交流电路中随时间变化时,其储存的电荷也会随之变化,表现为电容器引脚处流入或流出的电流(严格而言,并非电荷贯穿导体流动,而是体现为电荷的出入,即位移电流)。电容的单位是法拉(F),但1F非常大,因此实际电路中常用的是纳法(nF)和微法(µF)等较小的单位。这很适合高频滤波和信号耦合等用途。  电容器的串联、并联及合成电容  在实际电路中,通常不会只使用一个电容器,而是会组合使用多个电容器,以获得所需的电容量和耐压能力。通过串联、并联或复合配置,可以调整电路的特性。  串联连接  当将电容器串联连接时,合成电容Ctotal将小于每个单个电容器的电容值。总电容可通过下面的公式求出:  在串联连接时,电压会被分压施加到各个电容器上,因此在处理高电压的电路中,具有易于实现高耐压的优点。但是,如果各电容器的容量和漏电流特性不同,加在各个电容器上的电压就会不均匀,此时可能需要加装平衡电阻等。串联连接时,由于各电容器所储存的电荷Q相等,因此每个电容器的引脚电压为Vi =Q / Ci。所以,容量越小的电容器更越容易承受高电压,为了避免因电压波动或漏电流差异导致的过电压问题,有时会加入平衡电阻。  并联连接  并联连接的电容器组,各电容器的容量相加后的值即为整体的总合成电容:  在串联连接时,电压会被分压施加到各个电容器上,因此在处理高电压的电路中,具有易于实现高耐压的优点。但是,如果各电容器的容量和漏电流特性不同,加在各个电容器上的电压就会不均匀,此时可能需要加装平衡电阻等。串联连接时,由于各电容器所储存的电荷Q相等,因此每个电容器的引脚电压为Vi =Q / Ci。所以,容量越小的电容器更越容易承受高电压,为了避免因电压波动或漏电流差异导致的过电压问题,有时会加入平衡电阻。  并联连接  并联连接的电容器组,各电容器的容量相加后的值即为整体的总合成电容:  当需要实现更大的电容量,或希望结合使用不同种类的电容器以发挥其各自特性时,会采用并联连接的方式。在并联电路中,所有电容器都承受相同的电压,因此每个电容器承受的电压降与电源电压相同。  在下文中,虽然公式中的C在有些情况下表示单体电容量;但如果是由串联或并联连接构成的电路,则请将合成容量Ctotal代入C进行解读。(这里的vc(t) 是指串联、并联连接“整体”的两端电压)  直流电路中的容性电路分析  用直流电源给电容器充电  当将电容器连接到直流电源时,首先会进行充电过程。初始电容电压为0V时,与电源电压的差值最大,因此会流过串联电阻R限制范围内的较大电流。不久后,随着电容器开始积蓄电荷,其电压逐步上升,与电源电压之间的差(VDC − vc(t))逐渐缩小,因此dvc(t) / dt也随之减小,电流逐渐变小。电流可以用下面的公式来表示:  其中,i(t)表示流入电容器引脚的瞬时电流(引脚电流),C表示电容量,vc(t)表示电容电压。在充电初期阶段的特点是dvc(t) / dt较大,因而会有大电流通过。最终,当电容器被充电至电源电压时,电流几乎变为0,电容器对直流电源而言实际上表现为近似开路状态。  在下文中,vc(t)定义为“+引脚电位、−引脚电位”,i(t) 以流入+引脚的方向为正方向。  RC充电指数响应的推导步骤  设基本充电电路为电阻R和电容C串联后与直流电源 VDC相连接的电路。  根据基尔霍夫定律,电阻两端的电压i(t) × R与电容器电压vc(t)之和等于电源电压VDC。  代入i(t) = C·dvc(t) / dt,建立微分方程。  通过求解一阶线性微分方程,求得电容器电压vc(t) 。  最终得到的电容电压如下:  电容器向电阻负载放电  与充电过程相反,当将初始电压为V0的电容器连接到电阻R时,电容电压vc(t) 呈指数规律下降。用公式表示如下:  其中t =0的时刻电容电压为V0,随着时间的推移,电荷通过电阻被释放,最终趋近于0V。电流同样会呈指数规律衰减,当电容器所储存的电荷被耗尽后,电路最终进入稳态。  另外,根据被动符号规则的定义(以流入+引脚的方向为正方向),放电时dvc(t) < 0,因此i(t) = C·dvc(t) / dt为负值(若要将放电方向定义为正方向,则需将电流定义反转处理)。  其中t =0的时刻电容电压为V0,随着时间的推移,电荷通过电阻被释放,最终趋近于0V。电流同样会呈指数规律衰减,当电容器所储存的电荷被耗尽后,电路最终进入稳态。  另外,根据被动符号规则的定义(以流入+引脚的方向为正方向),放电时dvc(t) < 0,因此i(t) = C·dvc(t) / dt为负值(若要将放电方向定义为正方向,则需将电流定义反转处理)。  电容器在直流电路中的应用  电容器在直流系统中一般有以下几种常见用法:  平滑与滤波  在电源电路中,在整流器之后配置电容器可降低纹波电压,从而可获得更稳定的直流输出。  去耦  在数字电路等应用中,为吸收因高速开关引起的局部电压下降,会设置电容器。  备用电源  大容量电容器也可用于在电源瞬间中断时,短时间内维持电路运行。  容性电路和交流(AC)中的充电、相位角及波形  前面了解了电容器在直流电路中的工作,接下来看在施加交流电压的环境下,电容器如何表现。交流电路中电压和电流呈正弦波或其他周期性波形,电容器连续进行反复充放电。  在交流容性电路中的电荷反转与连续充放电  假设交流电源vs(t) = Vm sin(ωt)等,电容器将不断重复“充电至电压达到峰值,当施加反向电压时放电”的循环。根据频率和电容器容量的不同,在一个周期内流过的电流大小和时序会有显著变化。高频时,通过电容器的电流趋于变大,而低频率时则趋于变小。这是因为电容器会以依赖于频率的“容抗”来抵抗(阻碍)电流。每当瞬时电压极性切换时,施加在电容器两端的电压就会发生变化,从而大大影响着电流的相位。  容性电路中电压与电流的相位关系  在纯容性电路(电源与电容器直接连接的理想C)中,由于vc(\(t|0) = vs(t) ,因此i(t) = C·dvc(t) / dt与i(t) = C·dvs(t) / dt具有相同的含义。另外,对于电容器而言,电流比电压超前90度。将其用公式表示,即为i(t) = C·dvC(t) / dt,这是因为电压变化率达到最大的瞬间正是电流达到峰值的时刻。反之,在电压达到最大值的瞬间,因为dvc(t) / dt = 0,因此电流变为零。  理解交流电路中的容抗  在交流电路中,除电阻R外,若存在电感L或电容C,则各个元件会表现出随频率而变化的“电抗”。对于电容器而言,这种电抗被称为“容抗”,其大小随频率f及电容量C的变化而变化。  单位用欧姆(Ω)表示,但这不是电阻分量,而是依赖于频率的“电流通过难度”,在理想情况下不产生功耗,这一点与电阻不同。  交流容性电路中的功率与能量  理想的电容器在交流电通过时不会消耗功率(但瞬时功率会正负波动)。在实际电路中,在电容器与电源之间会不断交换能量,存在瞬时功率转移。通过正确理解这一点,便能看出功率因数改善和能源管理的重要性。  交流电容器的能量存储与释放  交流状态下的电容器,会在电压朝一个方向上升时储存能量,并在电压反转时将能量释放回电路,如此循环。首先,瞬间存储在电容器中的能量可以用下面的公式表示:  由于vc(t)按正弦波(如Vm sin(ωt)等)变化,因此电压上升时电容器储存电荷,电压下降或极性反转时则发生放电。在理想的电容器中,一个周期内正负功率的平均值为零,因此从外部来看,其表现如同“未消耗能量”。  然而,即使平均有功功率为0,电源与电容器之间能量仍会作为无功功率周期性地往复(超前无功功率)。这种往复电流若遇到布线电阻或ESR,将会导致损耗。  瞬时功率的公式及其含义  电路元件中的瞬时功率p(t) 可通过下面的公式表示:  这样就可以得到在正负之间振荡的形式。对一个周期进行积分,理想情况下结果为0,因此不存在平均功耗。  这种正负振荡的功率分量为无功功率,表示能量在电源与电容器之间周期性往复。通过接入电容器来抵消无功功率,即功率因数改善(PF补偿)的基本原理。  能量的往复与频率依赖性  容抗XC = 1/(ωC)随频率的升高而减小,因此频率越高,电容器就越容易通过电流。这是由于需要针对电压变化快速进行充放电,该特性被应用于功率因数改善(PF补偿)和降低纹波等用途。另一方面,当电容量较大时,瞬间交换的电荷量增加,因此由电阻、布线等因素引起的电压降和热损耗有时会变得不可忽视。通过考量这些现象,可以进行合理的滤波设计和电源设计。  实际应用时的要点(设计与应用)  功率因数校正:电容器能够提供超前无功功率,因此与具有滞后无功功率的感性负载配合使用时,可以改善整体的功率因数。  滤波与谐振:在电感器与电容器组合而成的LC电路中,可以构成谐振电路,实现对特定频率的信号进行选择性通过或阻断。  设计制约:实际的电容器中存在ESR(等效串联电阻)等,原本理想状态下不应消耗的能量会有一部分以热量形式损失掉,在大电流、高频环境下需要特别注意。  因此,利用交流下电容器“暂时储存能量并释放能量”的特性,其在振荡控制、无功功率控制等电力电子领域中发挥着重要的作用。  交流电容器电路中的设计考量事项  工程师在将电容器用于电路时,需要从性能、可靠性和安全性等多个角度进行综合考量。这是从单纯的容性电路到复杂的交流电路中都需要面对的共同课题。  发热与经年劣化  电容器,尤其是铝电解电容器等产品,往往依赖于化学特性。在高温环境下,劣化速度加快,这会导致电容量下降和内阻增加。特别是在严苛的温度环境下使用时,需要充分考虑其额定温度和寿命特性。因经年劣化而无法维持原本的电容量时,会导致电源纹波抑制能力丧失,或引起时序电路失常。  电路板布局与寄生分量  在高频领域,电容器的引线、电路板走线的电感、电阻等会在意想不到之处产生寄生因素。这些因素会影响高频工作,并导致滤波特性和谐振频率偏移,因此需要紧凑且噪声干扰少的布局设计。另外,由于寄生分量可能导致局部电压下降和发热问题,因此合理的布局设计至关重要。  总结:充分挖掘容性电路的潜力  容性电路在电压与电流的关系上与其他无源元件大不相同,具有暂时储存并释放能量的性质。了解这些特性,可实现滤波电路、时许电路以及功率因数校正等多种多样的应用。  还需要综合评估其在直流电路中呈指数规律的充放电、在交流电路中90度相位差及依赖频率的电抗、电容器的种类和连接方式、经年劣化等多方面因素。容性电路是电子电路与电力工程中的重要基础,在电源纹波抑制、高频滤波、信号耦合以及功率因数校正等广泛的实际应用领域中发挥着重要作用。  通过运用仿真和实际设备装机测试,选择最佳的电容量、种类及安装方法,可实现兼顾可靠性与性能的电路设计。从单纯的容性电路去耦到承担功率因数校正功能的高级交流电容器电路,其根基在于“控制电流与电压的相位差,实现瞬时能量交换”的原理,深入理解这一原理对于所有工程师而言都是至关重要的。
2026-09-20 15:16 阅读量:441
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