如果您正在设计电机驱动应用，以往您可能会使用如双极结型晶体管(BJT)等多个分立式元件来实现电机控制。尽管这种方法通常成本更低，但使用的元件总数更多，占用的布板空间更大，花费的设计时间更长，复杂度也更高。使用多个元件还可能会影响系统可靠性。

随着应用的复杂度增加、功率提高、占用空间减小，集成变得至关重要。集成解决方案可以缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本，同时还可以确保电机系统更加可靠和高效。

在本文中，我将对不同的电机控制实现方案进行比较，包括分立式和完全集成式选项，从而帮助您找到适合您设计的方法。表1比较了各种电机控制选项的集成度。

表1：用于驱动电机的集成度

采用分立式方法进行电机控制

图1展示了控制单元（如微控制器(MCU)）处理电机状态的反馈，并发送信号来调节电机的扭矩、位置和速度。栅极驱动器将来自MCU的信号放大，以驱动电机的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

图1：基本电机控制方框图

您可以使用BJT图腾柱/推挽电路作为栅极驱动电路来驱动单个MOSFET，如图2所示。尽管此方法成本很低且易于实现，但BJT图腾柱电路所需的外部元件数量较多且占用的布板空间较大。此外，您必须复制此分立式电路，因为您需要多个MOSFET来驱动电机，致使所需的元件数量和布板空间成倍增加。

图2：采用分立式BJT图腾柱/推挽电路实现栅极驱动器方框图

第一个集成选项：栅极驱动器IC

基本栅极驱动器IC将图腾柱的功能集成到单个封装内。最近的工艺技术不断创新，使得栅极驱动器IC与分立式BJT一样实惠。

在选择栅极驱动器IC时需要考虑几个注意事项，例如通道数以及最适合电机功率级别的电压和电流能力，如图3所示。

集成式栅极驱动器IC包括：

?单通道栅极驱动器（如德州仪器(TI)的UCC），通常用于驱动高侧和低侧高压(V)电源开关（如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC)）的交流电机。

?双通道半桥栅极驱动器（如UCC），用于驱动IGBT和MOSFET的V至V电机

?四通道H桥驱动器和六通道三相电机栅极驱动器（如DRV），专为低压MOSFET(60V)直流电机设计

随着电机功率级别的变化，使用栅极驱动器可以保持以前的设计，同时只改变外部FET以适应新的电压和电流电平。

图3：驱动外部FET的栅极驱动器IC类型

栅极驱动器涵盖具备基本功能（如防止跨导的欠压锁定和联锁保护）的驱动器，以及具备高级功能（如用于压摆率控制和自动死区控制的智能栅极驱动技术）的驱动器。了解有关这些栅极驱动器的更多信息，请参阅“了解智能栅极驱动”应用手册。

传统上而言，由以下外部元件设置压摆率：两个源极和漏极电阻器（用于限制MOSFET栅极的电流）、一个二极管（用于单独调节上升和下降速率），以及一个下拉电阻器。借助智能栅极驱动技术，可以不再使用这些元件，而且可通过串行外设接口灵活调节压摆率。

六通道驱动器采用智能栅极驱动技术，无需使用多达24个分立式元件，节省了布板空间，也减少了物料清单(BOM)数量。栅极驱动器还集成了其他保护和诊断功能，包括电流检测、过流和过热保护、故障检测甚至隔离功能，这进一步减少了元件数量。

第二个集成选项：电机驱动器IC

电机驱动器IC包括栅极驱动器和集成FET，非常适合低功率电机系统(70W)，如图4所示。与栅极驱动器相比，电机驱动器IC的占用空间更小；集成了FET功率级，从而简化了设计原理图和布局。与栅极驱动器IC一样，电机驱动器IC（如DRV）也集成了保护和诊断功能。

图4：具有集成FET的H桥和三相电机驱动器

在选择电机驱动解决方案时，务必要考虑内部FET的RDS(ON)、峰值电流和均方根电流。考虑到内部FET的功率耗散，还需要执行热计算。

第三个集成选项：集成控制栅极驱动器IC

与前两个选项不同，集成控制栅极驱动器IC（如MCTA）无需MCU即可进行电机控制。这些IC仍然具有具备保护和诊断功能的栅极驱动器，同时纳入了控制算法而无需MCU辅助，如图5所示。

电机换向算法的实现可能很复杂，无论是梯形控制、正弦控制还是磁场定向控制。集成控制栅极驱动器IC提供了一种无代码解决方案，可在内部处理换向算法，从而帮助您缩短设计时间，简化编码、调试和测试的复杂性。

图5：集成控制三相栅极驱动器

借助集成控制栅极驱动器IC，通过传感器控制或无传感器控制可灵活实现电机换向。采用传感器控制方法，可以使用外部霍尔效应传感器来检测转子位置；这些IC可以采用霍尔效应传感器输入，并利用电机控制算法来安静高效地驱动电机。相比之下，采用无传感器控制实现方法，无需使用外部霍尔效应传感器，从而减少了布板空间和BOM。如果选择无传感器集成控制栅极驱动器IC，则需要通过集成电流检测测量反电动势（反EMF）电压，并在内部计算电机位置。

第四个集成选项：集成控制、栅极驱动器和FETIC

最后一个集成选项通常称为“完全集成”，如图6所示。集成控制、栅极驱动器和FETIC（如MCFA）将无代码控制功能、具有保护和诊断功能的驱动器以及FET集成在一个芯片内，因此占用的布板空间更小、BOM更少。与电机驱动器IC选项类似，集成控制、栅极驱动器和FETIC解决方案受到内部FET的功能限制，因此需要进行电流和热计算。

图6：完全集成-电机控制、驱动器和FET

结语

这些不同级别的IC不仅可满足电机的功率级别要求，还可以缩短设计时间、节省成本和降低复杂性。集成器件还可以解决家用电器中的可闻噪声以及工厂自动化和机器人技术中的高精度控制等难题。