用于电机驱动的集成驱动器对比栅极驱动器

Pete Millett

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简介

在设计电机控制电路时，确定如何提供驱动电机所需的大电流至关重要。是采用内置功率器件的单片集成电路，还是采用栅极驱动 IC 和分立式外部功率 MOSFET，设计人员必须做出抉择。本文将讨论每种方法各自的优缺点，并就如何进行选择提供指导。

单片解决方案

第一种选择是使用单片驱动 IC 来驱动电机。集成 IC 由单个封装中的一个硅芯片组成，该芯片集成了逻辑、支持和保护电路，还集成了用于驱动电流流过电机的功率器件（例如功率 MOSFET）。

在单片解决方案中， MOSFET 与控制电路集成在同一个芯片上，因此具有电流测量精确的优势。而且由于控制电路可以靠近硅片上的 MOSFET 放置，因此单片 IC 还能提供强大的保护功能，如过流保护 (OCP) 和过温保护 (OTP)。

但集成驱动器的电压和电流额定值受限于 IC 工艺，最高可用电压额定值介于 80V 至100V 之间，驱动电流最高可达 15A。

单片驱动器基本上专用于打印机等大流量应用，其电源电压通常低于 35V，电机电流则低于 5A。

以MPS的集成驱动器MPQ6541为例。MPQ6541 是一款专用于汽车应用的 3 通道功率级。其额定电源电压高达 45V，连续负载电流为 8A，每通道峰值电流达15A。该电机驱动器集成了六个具有15mΩ R_DS(ON)的 MOSFET。它采用 TQFN-26 (6mmx5mm) 倒装芯片封装，是市场上该功率级别尺寸最小的产品。

图 1 所示为MPQ6541 的功能框图。

如下图所示，MPQ6541 的每个通道都集成了电流测量功能，因此无需配置又大又昂贵的电流采样电阻或电流采样放大器。

图 1：MPQ6541 功能框图

栅极驱动器（预驱动器）

第二种选择采用分立式功率 MOSFET（某些情况下也可能采用其他功率器件）来驱动电流通过电机。MOSFET 由栅极驱动 IC、预驱动器或多个栅极驱动器进行控制。

对于高于 100V 的高电压应用或超大电流应用，单片解决方案没有用武之地；但栅极驱动器和分立式 MOSFET则是理想之选。

这种方案通常需要多个器件，有时需要多达3个栅极驱动器和6个功率 MOSFET。因此，解决方案的尺寸，即电机驱动器占用的 PCB 面积远大于单片驱动器所需的尺寸。

MPQ6533是MPS提供的一款高集成度栅极驱动器。它是 3 通道栅极驱动器 IC，具有斜率控制和内部诊断等集成特性。该器件采用 QFN-32 (5mmx5mm) 封装，略小于单片 MPQ6541。

图 2 所示为 MPQ6533 的功能框图。如图所示，该方案需要6个功率 MOSFET，通常会采用3个双 MOSFET（每两个 MOSFET 集成在一个 IC 封装中）。

图1: MPQ6533功能框图

成本考量

模拟和混合信号 IC 工艺比专用分立式 MOSFET 工艺要复杂很多。在 IC 工艺中装配低 RDS(ON) MOSFET 需要大面积的硅；因此，在 IC工艺中制造RDS(ON)和电压相同的器件成本通常要高于在专用分立式 MOSFET 工艺中制造类似器件。

对于较低电流和/或较低电压的电机驱动器，在 IC 工艺中制造 MOSFET 的成本较低。因为控制和保护功能占据了芯片的大部分面积，所以为 MOSFET 增加的面积并不会像采用外部 MOSFET 那样导致成本增加。

但对大电流应用来说，IC 工艺中 MOSFET 成本则主导了整个器件的成本。尽管有能够支持 15A 电机电流的单片电机驱动器方案，但其实现成本通常要远高于采用栅极驱动器和分立式MOSFET方案。

但在某些情况下，单片解决方案的小尺寸则弥足珍贵，就算成本高昂也瑕不掩瑜。例如，有些系统需要在电机内部安装一个集成驱动器，但可用空间却很小；此时，采用栅极驱动器和 MOSFET 的解决方案可能根本无法挤进有限的空间。

为了粗略了解单片解决方案与栅极驱动器解决方案的相对成本，我们对单片 IC和栅极驱动器 IC （具有3个双 MOSFET 和3个电流采样电阻）的成本进行比较。其他支持组件，例如旁路电容，在两种解决方案中的成本相似，这里不予考虑。但请注意，以下成本均基于小批量产品价格；实际量产价格通常要低得多。

表 1 列出了专用单片 IC 和具有分立式 MOSFET 的栅极驱动器 IC 之间的成本比较。

表1: 成本比较

	单片IC	栅极驱动器IC
组件成本	IC: $6.00	IC: $2.05
		双 MOSFETs (x3): $1.80
		电流采样电阻: $0.39
总成本	$6.00	$4.24

解决方案尺寸

单片驱动器解决方案的尺寸基本上均小于采用栅极驱动器和分立式MOSFET 的等效解决方案。

以MPQ6541和带附加功率 MOSFET 的 MPQ6533为例，我们对其占用的PCB 面积进行比较（见图 3）。尽管这两款器件在封装尺寸方面均处于行业领先地位，但相比之下仍然差异显著。MPQ6541 占位面积仅为 130mm² ；MPQ6533 则为 520mm²，是前者的四倍。而且，MPQ6533栅极驱动器解决方案已经采用了小尺寸封装中的双 MOSFET；若非如此，MOSFET 占位可能更大，这将进一步增大解决方案的 PCB 面积。

图3: MPQ6541 与 MPQ6533的解决方案尺寸比较

散热考量

PCB 常常被用作散热器，以有效散发功率 MOSFET 中产生的热量。较大的封装对 PCB而言，导热性更佳；这意味着从散热的角度来看，更大尺寸的解决方案更好。这对栅极驱动器解决方案而言当然是利好，因为功率 MOSFET 通常尺寸很大。而且，低 R_DS(ON) 的功率 MOSFET随处可见。因此，在某些情况下，尤其对那些需要在严苛环境中运行的应用而言，对散热的要求可能导致排除单片驱动器解决方案。

单片驱动器封装尺寸较小。为了补偿其封装中较高的热阻，给定电流的 R_DS(ON) 必须低于采用分立式 MOSFET 的同类解决方案。

我们来看看 MPQ6541及其小尺寸带来的益处。如果 PCB 设计得当，该器件应可以提供很大的驱动电流。图 4 显示了 MPQ6541 在 5cmx5cm、2 层 PCB 上，向三相无刷电机提供 6A 电流时的温度。如图可见，测得的外壳温度比环境温度高 38°C。具有内部平面的 4 层 PCB 还将进一步降低温升。

图 4：MPQ6541 热成像

表 2 总结了集成解决方案与栅极驱动器解决方案之间的主要区别。

表2: 方案比较

	单片器件	预驱动器（加 MOSFET）
PCB面积	小型解决方案	大型解决方案
最大实际电压和电流	约100V，15A	无限制
成本	低电流：低成本大电流：成本较高	低电流：低成本大电流：成本较高
电流测量	精确的内部测量	需要外部分流器和放大器
保护功能	精确的温度测量和过流保护 (OCP)	需要外部元器件，温度测量不精确
散热能力	小封装具有较高热阻	大型 MOSFET散热性能更佳