家电、游戏机、计算设备和汽车中的电机驱动方案

安森美半导体在电机驱动器领域有超过25年经证实的领先地位，自2010年以来售出了20多亿片电机驱动器，是全球BLDC冷却风机和全球白家电电机驱动器方案的领袖，拥有步进、直流和无刷直流(BLDC)电机驱动器的最宽广的产品阵容，在售产品达400多款，并持续改进以实现零缺陷和符合不断发展的ISO标准。

安森美半导体利用技术专长，致力于使电机驱动器方案提供更小尺寸、更高能效和更高系统可靠性，如通过集成的方案、单电源运行、内置系统保护、小封装等实现更小占位，通过低导通电阻/饱和电压、同步整流、软脉宽调制(PWM)开关、低功耗等实现更高能效，通过内置过温、欠压、过压、过流、击穿等系统保护和宽工作电压范围实现更高系统可靠性。

电机及其驱动器的基础知识

电机分为交流电机和直流电机两大类，其中直流电机市场潜力巨大，全球目标市场容量(SAM)超过10亿美元，主要有步进、有刷和无刷等类别。步进电机易于控制位置，无需反馈，控制信号可以是简单的PWM脉冲串，易于接口到MCU，但能效较低，有相对高的噪声、震动和电磁干扰(EMI)等问题，通常通过微步数字通信克服这些缺点；直流有刷电机易于驱动，可通过PWM控制驱动速度，成本低，能效高，但容易磨损，使用寿命较短，会产生电刷火花和严重的EMI等问题，难以高速驱动； BLDC相对有更多的优势，因为无电刷，转子结构非常简单和强固，所以噪声低，无磨损，使用寿命长，可靠性高，且可高速运转，但需要复杂的驱动电路，成本相对较高。

按集成度的不同，有3种电机驱动器方案：系统单芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和门极驱动器方案。SoC方案将DC-DC、门极驱动器、控制器、逆变器及反馈/保护等集成到单个芯片上，集成度高，适合空间受限的应用，简单易用；ICS方案相对于SoC方案，没有集成逆变器，因而可通过外部MOSFET支持宽范围的功率，适用于功率较大的应用，灵活性较高；门极驱动器方案则只集成DC-DC、门极驱动器和反馈/保护，因为控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的灵活度。

标准的BLDC方案

安森美半导体的BLDC电机驱动器方案已广泛应用于计算机、服务器、电动工具、打印机、冰箱、微波炉和汽车等应用。如图1所示，根据输出电流和电压范围的不同，我们标注出了不同的BLDC电机驱动器方案更适合的应用。

图1：安森美半导体广博的BLDC电机驱动器方案阵容

更高能效、更低噪声：单霍尔180度系列BLDC电机驱动器

能效标准在不断提高，同时消费者还希望产品能更平稳、低噪声的工作。为帮助设计人员解决这些挑战，安森美半导体推出3款180°正弦波驱动3相BLDC电机的器件：LV8811、LV8813和LV8814(如图2所示)，适用于家电如冰箱的散热风扇，游戏机和计算设备，这3款器件可由单个霍尔传感器控制，降低系统成本，导通电阻低至0.5 Ω，超前角易于调整，提供PWM软开关和同步整流，因而可实现更高能效。在系统可靠性方面，此3款器件结合过流、过压、欠压和过温等保护功能，还包括锁定转子保护和自动恢复机制，集成度高，简化电机控制电路设计，减少噪声和振动，软启动和关断功能确保持续的工作稳定性。此外，这3款器件高度灵活，可通过一个直流电压或PWM输入进行速度控制，还可设定最小PWM占空比，无需软件因而省去软件开发时间。

图2：单霍尔180度BLDC电机驱动器框图

1. LV8811、LV8813和LV8814可满足设计应用的不同需求

LV8811、LV8813和LV8814的最大电源电压、最大输出电流、REG引脚和HB引脚的最大输出电流都是相同的，VCC工作电压范围分别为3.6 V至16 V、6 V至16 V，和3.6 V至16 V，低压关断阈值分别为2.5 V 、3.8 V和2.5 V。设计人员可根据不同的应用需求，选择适合的型号。这3款器件最大的不同在于占空比：LV8811的启动相对较复杂，其脉宽变化较为平滑，占空比从6%到5%，再到20%，最后到15%，可减少启动时的震动；LV8813和LV8814的启动PWM占空比则设定为从50%到25%，有助于提供启动时较大的扭矩。LV8811和LV8813采用集成散热盘的TSSOP20 封装，LV8814采用未集成散热盘的SSOP20封装。

2. 单霍尔方案的启动过程

首先，电机通过调整操作模式找到一个固定的位置，以减少由于依赖启动位置的启动故障。如果霍尔IC检测到调整过程中的变化，会延长调整操作，然后在完成调整过程后立即执行180度驱动。如图3所示，首先通过霍尔IC检测转子的极性(N或S)，然后根据检测结果进入目标位置，随后提出转矩，开始转动，通过检测开关时间，最终开始正弦波驱动。

图3：从单个霍尔IC中的信息，生成一组A至C和D至F的位置。

3. 单霍尔相对于其它驱动方式的优势

对比3霍尔3相驱动器、单霍尔3相驱动器和无传感器3相驱动器，3霍尔驱动器可靠性最高，速度快，但需要使用3个霍尔，占板面积和偏置电流较大，成本较高；无传感器驱动器无需霍尔元件，占板面积小，结构紧凑，无偏置电流，但采用非正弦驱动方式驱动，可靠性和速度方面都低于霍尔类驱动；单霍尔驱动器则是3霍尔和无传感器方案的折中方案。

表1对比了安森美半导体的单霍尔驱动方案LV8813与无传感器BLDC驱动方案LV8804的工作电压范围、最大输出电流Io、驱动方式、传感器、速度控制信号、外部元件及调整元件。可以看到，LV8813在速度控制方面更灵活，所需的调整元件引脚更少更简单。

表1：LV8813 vs. LV8804

LV8813采用软启动的启动方式，在启动调整时间1 s 后，开始以25%的占空比开始运转，随后转向目标占空比的工作模式，该过程的变化速率为26%/s。由于LV8813采用180°驱动方式，工作时的正弦波形更为光滑、完整，而LV8804FV 采用150°驱动方式，波形会有一些毛刺和不规则。

此外，我们对LV8813和LV8804进行了能效测试。如图4所示，当转速低于1,100 rpm时，LV8804 和LV8813 表现出差不多的能效(电机A)，但当转速提高到1,100 rpm以上时，LV8813 比LV8804能效更高(电机B)。

图4：LV8804 vs. LV8813能效测试

步进方案

安森美半导体也提供步进电机驱动器方案，其中15 V以下的系列广泛应用于玩具、监控摄像、冰箱、微波炉、煤气炉、洗衣机、舞台灯等，24 V系列则主要集中在工业应用，如打印机、自动贩卖机、收音机、缝纫机、工业机器人等。图5为安森美半导体的12 V以上和3-15 V H桥/步进电机驱动器阵容。

图5：安森美半导体的H桥/步进电机驱动器阵容

汽车BLDC方案

除了传统的BLDC和步进应用，安森美半导体还专注于汽车BLDC应用领域，如各种泵、自动空调(HVAC)风机、座椅风扇、散热器风扇、LED大灯风扇等，可针对不同的功率级别提供相应的BLDC方案。如适用于油泵、水泵、散热器风扇、HVAC等应用的无传感器150度3相BLDC 预驱动器LV8907，内置门极驱动、LIN收发器和低压降稳压器(LDO)，将占板面积减至最小，配合外部功率MOSFET可实现不同的功率等级输出。该器件通过了AEC-Q100认证，结温最高达175 ⁰C，无需软件，集成逐周期限流、过流保护、过压/欠压保护、过温保护、堵转保护等丰富的保护特性，可靠性极高。此外，LV8907可灵活地通过OTP设置实现单独的工作模式和通过SPI进行实时控制。

图6：LV8907框图

总结

安森美半导体拥有强大的电机驱动技术及成熟的电机驱动市场经验，宽广的产品线覆盖BLDC、步进电机和汽车等应用领域，并配合市场和设计人员的需求不断创新，其最新的单霍尔180度BLDC驱动系列LV881X，通过180°正弦驱动提升电机系统能效及减小噪声，并省去软件开发，节省开发时间和工作量，为冰箱的散热风扇及游戏机和计算设备等驱动应用提供理想的方案。