MCT8329A：高效的無傳感器梯形控制解決方案

在電機控制領(lǐng)域，尋找一款能夠?qū)崿F(xiàn)高速運行、快速啟動且功能豐富的解決方案一直是工程師們的追求。德州儀器（TI）的MCT8329A便是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為無刷直流（BLDC）電機提供了無代碼的無傳感器梯形控制解決方案。今天，我們就來深入探討一下MCT8329A的特點、功能以及應(yīng)用設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

MCT8329A專為需要高速運行（高達3 kHz電速度）或極快啟動時間（< 50ms）的BLDC電機應(yīng)用而設(shè)計。它集成了三個半橋柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動高端和低端N溝道功率MOSFET。電機電流通過集成的電流感應(yīng)放大器和外部低端檢測電阻進行檢測。此外，該器件還集成了一個LDO，可為器件和外部電路提供必要的電壓軌。

傳感器梯形控制通過寄存器設(shè)置高度可配置，從電機啟動行為到閉環(huán)操作都能進行靈活調(diào)整。寄存器設(shè)置可以存儲在非易失性EEPROM（MCT8329A1I）中，使器件在配置后能夠獨立運行。MCT8329A1I還提供了高度的監(jiān)控功能，算法中的任何變量都可以通過12位DAC以模擬輸出的形式顯示和觀察，這為調(diào)整速度環(huán)和電機加速度提供了有效的方法。

二、功能模塊詳解

（一）三相BLDC柵極驅(qū)動器

MCT8329A集成了三個半橋柵極驅(qū)動器，每個驅(qū)動器都能驅(qū)動高端和低端N溝道功率MOSFET。電荷泵用于生成GVDD，以在較寬的工作電壓范圍內(nèi)提供正確的柵極偏置電壓。低端柵極輸出直接由GVDD驅(qū)動，而高端柵極輸出則使用帶有集成二極管的自舉電路驅(qū)動，內(nèi)部涓流充電泵支持100%占空比操作。

（二）柵極驅(qū)動架構(gòu)

柵極驅(qū)動器采用互補推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為外部MOSFET柵極提供強大的上拉和下拉能力。低端柵極驅(qū)動器直接由GVDD調(diào)節(jié)器供電，高端柵極驅(qū)動器則使用自舉二極管和電容器生成浮動高端柵極電壓源。為了支持100%占空比控制，器件集成了涓流充電泵，連接到BSTx節(jié)點以防止驅(qū)動器和外部MOSFET的泄漏電流導(dǎo)致電壓下降。此外，高端柵極驅(qū)動器具有半主動下拉功能，低端柵極具有被動下拉功能，有助于防止外部MOSFET在睡眠狀態(tài)或電源斷開時導(dǎo)通。

（三）AVDD線性電壓調(diào)節(jié)器

MCT8329A集成了一個3.3-V、80-mA的線性調(diào)節(jié)器，可為外部電路供電。如果VREG連接到AVDD，則外部電路可用的電流將減少到50 mA。調(diào)節(jié)器的輸出應(yīng)通過一個X5R或X7R、1-μF、6.3-V的陶瓷電容器旁路到AGND引腳。

（四）DVDD電壓調(diào)節(jié)器

VREG引腳用作集成DVDD電壓調(diào)節(jié)器的電源輸入?？梢酝ㄟ^多種方式為VREG引腳提供電源，如外部3 V至5.5V電源、將AVDD連接到VREG或使用由GCTRL引腳控制的外部MOSFET。

（五）低端電流感應(yīng)放大器

MCT8329A集成了一個高性能的低端電流感應(yīng)放大器，用于使用低端分流電阻進行電流測量。電流感應(yīng)放大器的增益可通過EEPROM設(shè)置進行配置，支持雙向或單向電流感應(yīng)。在雙向電流感應(yīng)模式下，器件內(nèi)部生成VREF / 2的共模電壓，以獲得最大的電流測量分辨率；在單向電流感應(yīng)模式下，內(nèi)部生成VREF / 8的共模電壓。

（六）設(shè)備接口模式

MCT8329A支持I2C接口，同時還提供了FG、nFAULT、DIR、BRAKE、SPEED/WAKE、DACOUT/SOx/SPEED_ANA、EXT_CLK、DRVOFF等I/O引腳，為用戶提供了靈活的控制和監(jiān)控方式。

（七）電機控制輸入選項

MCT8329A提供了三種電機控制模式：速度控制、功率控制和電壓控制。參考輸入可以通過PWM輸入、頻率輸入、模擬輸入或I2C命令進行控制。此外，還支持三種不同的輸入控制信號配置文件，包括線性、階梯和正反配置文件，以滿足不同的應(yīng)用需求。

（八）啟動電機

MCT8329A考慮了電機在不同初始條件下的啟動情況，包括靜止、正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)。針對每種情況，都提供了相應(yīng)的啟動方法，如對齊、雙對齊、初始位置檢測（IPD）、慢速第一周期等，以確保電機能夠可靠啟動。

（九）閉環(huán)操作

在閉環(huán)操作中，MCT8329A采用梯形換向，換向時刻由非驅(qū)動相（Hi-Z）上的反電動勢（BEMF）過零確定。支持120°和可變換向模式，可變換向模式可以減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動和聲學(xué)噪聲。此外，還提供了超前角控制功能，以實現(xiàn)最佳效率。

（十）速度環(huán)和功率環(huán)

MCT8329A具有速度環(huán)和功率環(huán)選項，可以在不同的運行條件下保持恒定的速度或調(diào)節(jié)輸入功率。速度環(huán)通過PI控制器實現(xiàn)，輸出用于生成PWM電壓的占空比。功率環(huán)可以選擇閉環(huán)功率控制或功率限制控制模式。

（十一）其他功能

MCT8329A還提供了反電壓浪涌（AVS）保護、輸出PWM開關(guān)頻率配置、快速啟動、快速減速等功能，以及豐富的故障保護機制，如電源欠壓鎖定、調(diào)節(jié)器欠壓鎖定、熱關(guān)斷等。

三、寄存器配置

MCT8329A的功能通過多個寄存器進行配置，包括算法配置寄存器、故障配置寄存器、硬件配置寄存器、柵極驅(qū)動器配置寄存器、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器、算法控制寄存器、設(shè)備控制寄存器和算法變量寄存器等。這些寄存器涵蓋了電機啟動、閉環(huán)控制、故障保護、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等各個方面，用戶可以根據(jù)具體需求進行靈活配置。

四、應(yīng)用與實現(xiàn)

（一）應(yīng)用領(lǐng)域

MCT8329A適用于各種三相無傳感器梯形電機控制應(yīng)用，如無繩真空吸塵器、HVAC鼓風(fēng)機和通風(fēng)機、家電風(fēng)扇、泵和醫(yī)療CPAP鼓風(fēng)機等。

（二）典型應(yīng)用設(shè)計

在設(shè)計MCT8329A的應(yīng)用電路時，需要考慮多個方面，如電源供應(yīng)、電容器選擇、柵極電阻選擇等。

1. 電源供應(yīng)：MCT8329A的輸入電壓范圍為4.5 V至60 V，建議在PVDD引腳附近放置一個10-μF和0.1-μF的陶瓷電容器，并根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的大容量電容。
2. 電容器選擇：選擇電壓額定值為電源電壓2倍的電容器，以確保其性能穩(wěn)定。例如，自舉電容器和GVDD電容器的紋波電壓應(yīng)盡可能小，一般建議選擇100 nF的自舉電容器和1-μF的GVDD電容器。
3. 柵極電阻選擇：柵極電阻的選擇會影響SHx連接的轉(zhuǎn)換速率和MOSFET的開關(guān)性能?？梢酝ㄟ^在柵極驅(qū)動輸出上放置串聯(lián)電阻來控制電流，也可以通過分離源極和漏極電流路徑來實現(xiàn)不同的電流控制。

（三）系統(tǒng)考慮因素

在高功率設(shè)計中，需要考慮更多的系統(tǒng)因素，如使用電壓額定值為電源電壓2倍的電容器、添加外部功率級組件以抑制瞬態(tài)、管理電感線圈能量、減輕電源泵浦等。

五、布局與熱考慮

（一）布局指南

在PCB布局時，應(yīng)遵循以下原則：

1. 使用低ESR陶瓷旁路電容器旁路PVDD引腳到GND引腳，并盡可能靠近PVDD引腳放置。
2. 為外部MOSFET的高電流路徑添加大容量電容，并盡量減小高電流路徑的長度。
3. 在CPL和CPH引腳之間放置一個470 nF的低ESR陶瓷電容器。
4. 自舉電容器應(yīng)靠近器件引腳放置，以最小化柵極驅(qū)動路徑的環(huán)路電感。
5. 旁路AVDD、DVDD和VREG引腳，使用低ESR陶瓷電容器，并盡量靠近引腳放置。
6. 最小化高端和低端柵極驅(qū)動器的環(huán)路長度，確保柵極驅(qū)動跡線足夠?qū)捛叶獭?/li>
7. 確保接地通過網(wǎng)絡(luò)連接或?qū)掚娮柽B接，以減少電壓偏移，并將器件的散熱墊焊接到PCB頂層接地平面。

（二）熱考慮

MCT8329A具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)芯片溫度超過150°C時，器件將被禁用，直到溫度降至安全水平。為了確保良好的散熱性能，應(yīng)合理設(shè)計PCB布局，使用大面積的接地平面和多個過孔，以降低結(jié)到空氣的熱阻。

六、總結(jié)

MCT8329A是一款功能強大、性能卓越的無傳感器梯形控制解決方案，為BLDC電機控制提供了豐富的功能和靈活的配置選項。在設(shè)計應(yīng)用電路時，需要仔細(xì)考慮電源供應(yīng)、電容器選擇、柵極電阻選擇、布局和熱管理等方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助工程師們更好地了解和應(yīng)用MCT8329A。

大家在使用MCT8329A的過程中遇到過哪些問題呢？或者對其功能有什么獨特的見解？歡迎在評論區(qū)留言討論。