題注：首先感謝凌鷗贈(zèng)送的LKS32MC083中壓中小功率無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)板。

首先來(lái)看看KS32MC08x的電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)板的靚照吧

該說(shuō)明適用于LKS(凌鷗簡(jiǎn)稱)所有無(wú)內(nèi)置預(yù)驅(qū)芯片的中壓中小功率 EVB 板。

1、概述

該 EVB 板為 DC20~60V 輸入，在 DC60V 時(shí)功率在 200W 以下。根據(jù)板子上 MCU 內(nèi)的程可以實(shí)現(xiàn)無(wú)感方波、有感或無(wú)感 FOC 控制控制。支持按鍵啟停和模擬電位器調(diào)速，串口通訊等功能。下圖1所示為板子的實(shí)物圖及硬件功能接口示意。

該功率底板適用于 LKS32MC081、LKS32MC082、LKS32MC083、LKS32MC087、LKS32MC088、 LKS32MC089 、 LKS32MC080 芯 片 的 低 壓 中 小 功 率 EVB 板 ， 版 本 編 號(hào) 為L(zhǎng)KS_EVB_MVPOWPRE_V1.0。

2、硬件說(shuō)明

該評(píng)估板由兩塊板子連接而成，一塊為功率底板：LKS_EVB_MVPOWPRE，一塊為MCU 板，其中LKS所有無(wú)內(nèi)置預(yù)驅(qū)芯片對(duì)應(yīng)的MCU板都可以使用這套功率板；

下面對(duì)上圖中各接口和功能做說(shuō)明：

1. DC 電源輸入：DC20~60V 電源輸入，在 DC60V 時(shí)功率在 200W 以下；

2. 電源芯片：用電源芯片 LKS611 芯片及 78L05，分別將輸入電源電壓轉(zhuǎn)換成 14.5V 及5V，分別給預(yù)驅(qū)芯片、MCU 及外圍電路供電。跳帽的作用為接入電源，為預(yù)驅(qū)、MCU 及外圍電路提供電源；

3. 電源指示燈：上電后電源正常，電源指示燈是正常；

4. MCU 板插座：P1、P2 是 MCU 接插口，連接 MCU 板；

5. START 按鍵：功能按鍵，電機(jī)啟動(dòng)按鍵。參考附件原理圖；

6. STOP 按鍵：功能按鍵，電機(jī)停止按鍵。參考附件原理圖；

7. 電位器：用于模擬調(diào)速，通過(guò) P1 接插件連接到 MCU 引腳。參考附件原理圖中模擬信號(hào)輸入；

8. UART 串口：支持無(wú)線串口調(diào)試及通信。參考附件原理圖中無(wú)線串口調(diào)試及通信；

9. HALL 口：用于有 HALL 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，連接電機(jī) hall 口，HALL 供電由 5V 提供。參考附件原理圖中 hall 接口；

10. 電流采樣方式選擇：P5、P6、P7 三個(gè)三 Pin 插針，用跳帽進(jìn)行選擇電流采樣模式，跳左端為 MOS 內(nèi)阻采樣，跳右端為三電阻采樣；其中三電阻采樣需要可根據(jù)實(shí)際采樣增益修改匹配的電阻值。參考附件原理圖中電流采樣方式；

11. 電機(jī)三相輸出 UVW：電機(jī) U、V、W 三相輸出。輸出能力持續(xù)電流最大 15A，視MOS 管型號(hào)而定，可參考附件原理圖功率模塊。

注意事項(xiàng)：

1. 硬件上電前用萬(wàn)用表檢測(cè)是否有短路，檢測(cè)焊接是否完整，有無(wú)漏焊、連焊等情況；

2. 上電正常后。連接仿真器時(shí)應(yīng)注意正負(fù)極是否對(duì)應(yīng)，CLK、DIO 是否對(duì)應(yīng)；

3. 當(dāng)出現(xiàn)故障，應(yīng)立即斷電或用鑷子使芯片復(fù)位。

EVB底板PCB：

LKS32MC083核心板PCB

3. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.1. 三相驅(qū)動(dòng)原理圖：

3.1.1 功率模塊



峰值電流驅(qū)動(dòng)的需求針對(duì) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的討論主要是考慮內(nèi)部和外部因素而導(dǎo)致 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生功耗。所以需要計(jì)算出 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，進(jìn)而利用計(jì)算值為驅(qū)動(dòng)器選擇正確的封裝和計(jì)算結(jié)溫。

在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET 驅(qū)動(dòng)器與 MOSFET 的參數(shù)匹配，主要是按應(yīng)用的需要去控制功率 MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度快慢 （柵極電壓的上升和下降時(shí)間）。應(yīng)用中優(yōu)化的上升 / 下降時(shí)間取決于很多因素，如 EMI（傳導(dǎo)和輻射），開(kāi)關(guān)損耗，引腳 / 電路的感抗，以及開(kāi)關(guān)頻率等。

MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度與 MOSFET 柵極電容的充電和放電速度有關(guān)。MOSFET 柵極電容、導(dǎo)通和截止時(shí)間與 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可以表示為：

dT = (dV * C)/I

其中：

dT = 導(dǎo)通 / 截止時(shí)間

dV = 柵極電壓

C = 柵極電容 （從柵極電荷值）

I = 峰值驅(qū)動(dòng)電流 （對(duì)于給定電壓值）

柵極電荷和電容及電壓的關(guān)系為:

Q = C* V

上面的公式可重寫(xiě)為：

dT= Q/I

其中：

Q = 總柵極電荷上述公式假設(shè)電流 （I）使用的是恒流源。如果使用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流來(lái)計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生一些誤差。MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力通常由峰值電流驅(qū)動(dòng)能力來(lái)表示。

3.1.2 設(shè)計(jì)示例：

利用下列設(shè)計(jì)參數(shù)，可以計(jì)算出 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流：

通過(guò) MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得：

MOSFET 柵極電荷 = 20 nC （Q）

需要的 MOSFET 柵極電壓 = 12V （dV）

導(dǎo)通 / 截至?xí)r間 = 40 ns （dT）

使用前面推導(dǎo)的公式：dT = Q/I

I=Q/dT

I=20nc/40ns

I = 0.5A

因此 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的電流驅(qū)動(dòng)能力不應(yīng)小于 0.5A.

3.1.3 驅(qū)動(dòng)電阻 R 大小的確定為了減少死區(qū)時(shí)間對(duì)控制性能的影響，總是希望設(shè)置的死區(qū)時(shí)間要越小越好，但過(guò)小的死區(qū)時(shí)間會(huì)引起上下管直通，損壞功率管。一般死區(qū)時(shí)間選擇在 500ns~2500ns之間。MOSFET 的 GS 之間存在的電容叫柵極電容 C，管子驅(qū)動(dòng)電流越大，這個(gè)柵極電容 C 也越大，一般在 1-10nf 之間，同時(shí)需要考慮驅(qū)動(dòng)電路上的等效電容和彌勒效應(yīng)引起的電容。

電容的充放電時(shí)間計(jì)算：

假設(shè)有電源 Vu 通過(guò)電阻 R 給電容 C 充電，V0 為電容上的初始電壓值，Vu 為電容充滿電后的電壓值，Vt 為任意時(shí)刻 t 時(shí)電容上的電壓值，那么便可以得到如下的計(jì)算公式：

Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – exp( -t/RC)]

如果電容上的初始電壓為 0，則公式可以簡(jiǎn)化為：

Vt = Vu * [1 – exp( -t/RC)] （充電公式）

當(dāng) t = RC 時(shí)，Vt = 0.63Vu；

當(dāng) t = 2RC 時(shí)，Vt = 0.86Vu；

當(dāng) t = 3RC 時(shí)，Vt = 0.95Vu；

當(dāng) t = 4RC 時(shí)，Vt = 0.98Vu；

當(dāng) t = 5RC 時(shí)，Vt = 0.99Vu；

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò) 3~5 個(gè) RC 后，充電過(guò)程基本結(jié)束。

當(dāng)電容充滿電后，將電源 Vu 短路，電容 C 會(huì)通過(guò) R 放電，則任意時(shí)刻 t，電容上的電為：

Vt = Vu * exp( -t/RC) （放電公式）

t=RC*ln[(Vu-V0)/(Vu-Vt)](電容充放電時(shí)間公式)

3.1.4 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻大小

表 1 顯示了 LKS560 驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電器參數(shù)的典型示例

3.1.4R計(jì)算實(shí)例

表 2 顯示了 中航 065N08N 型號(hào) MOSFET 的柵極電容在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型示例。

利用 Q = C * V 關(guān)系式，我們得到柵極總電容為 C= 4.7 nF

以設(shè)計(jì)從 MCU 發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)到 LKS560 后到 MOS 導(dǎo)通需要在 1200ns 內(nèi)導(dǎo)通為例，通過(guò)查表 3 得到驅(qū)動(dòng)器自身會(huì)產(chǎn)生 700ns 的延時(shí)，死區(qū)時(shí)間 200ns, 因此驅(qū)動(dòng)電路的上升沿時(shí)間需要控制在 300ns 以內(nèi)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，這里使用 3RC 作為驅(qū)動(dòng)電路上升沿時(shí)間。則有：

3RC = 300ns

R = 100ns/4.7nf

R = 21Ω

注意這個(gè)時(shí)候得到的電阻是包含了驅(qū)動(dòng)器自身內(nèi)阻的總電阻。

LKS560 的等效電阻為 10Ω, 則外部串聯(lián)的電阻 Rs = 21-10 = 11Ω

選型原則：

1. Mosfet 輸出電流越大，則柵極電容越大，那么 Rs 取值要減小，反之 Rs 就要增加；

2. Rs 增加會(huì)減小驅(qū)動(dòng)電流，延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)時(shí)間，減小 EMI 干擾，但會(huì)增加上下管直通風(fēng)險(xiǎn)，要確保沒(méi)有直通情況出現(xiàn)；

3. Rs 減小會(huì)加大驅(qū)動(dòng)電流，減小驅(qū)動(dòng)時(shí)間，但會(huì)加大 EMI 干擾，過(guò)大的 dI/dT 也會(huì)引起功率管承受的更大反電勢(shì)電壓，造成功率管損壞。

為了防止彌勒效應(yīng)引動(dòng)的 MOSFET 二次開(kāi)通，MOSFET 的 GS 端通常要并一個(gè)電容，一般在 1nF~10nF 之間；集成預(yù)驅(qū)的電源線/地線，建議從電源端單獨(dú)供電，不能跟同網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用電路混用以免造成干擾

審核編輯：劉清