温度和芯片供电电压影响芯片的速度和性能

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#典型电路

本文探讨了工艺（Process）、电压（Voltage）、温度（Temperature）对集成电路（IC）器件功能和性能的影响。温度升高会导致阈值电压Vt下降，从而使芯片速度加快；然而，由于迁移率下降更快，总体上温度升高将使芯片速度变慢。供电电压的变化同样显著影响芯片性能：电压降低会使芯片运行变慢，而电压升高则使其加速。

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除了工艺对芯片性能有影响外，外界环境条件如温度和芯片供电电压也会影响芯片的速度和性能。

1）、温度对数字IC芯片阈值电压Vt是有影响的，温度升高引起Vt下降。阈值电压Vt下降使芯片速度加快，但通常温升导致迁移率下降更快，总的影响是温度升高速度变慢 

 

（a）PMOSFET（b）NMOSFET的VT随温度的变化曲线

1)、无论是NMOS还是PMOS，它们VT的绝对值都是随温度升高而下降。

2)、温度每升高1 C，VT下降1.5～2mV

3)、温度升高，NMOS管的P型衬底中自由电子浓度增大，更小的VGS即可形成反型层，即相应的VT下降。

2）、芯片供电电压降低后，芯片会变慢，电压升高时，芯片会变快。

综上所述，工艺（Process）、电压（Voltage）、温度（Temperature）对IC器件功能和性能均有影响，即PVT的影响，芯片厂家一般会进行芯片级的PVT测试。

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06-02 1510
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低边驱动芯片驱动电机电路设计
最新发布
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<think>嗯，用户想设计使用低边驱动芯片的电机驱动电路。用户可能是个电子工程师或者学生，正在做电机驱动相关的项目。从问题来看，用户对电机驱动有一定基础认知，但需要具体的设计指导。 低边驱动芯片的设计核心在于几个关键点：首先需要理解低边驱动的拓扑结构，即驱动芯片位于电机和地之间。这种结构的好处是驱动电路简单，但缺点是无法提供制动功能。用户可能没意识到这点限制，需要特别说明。 关于芯片选型，用户可能忽略了几个重要参数。除了基本的电压电流，还要考虑开关速度、保护功能和温度范围。比如过热保护在电机堵转时特别重要，这点用户可能没考虑到。 电路设计方面，PWM控制是关键。这里需要强调栅极驱动电阻的重要性——太小会导致开关损耗大，太大会增加开关时间。用户可能没意识到这个电阻需要根据MOSFET的Qg参数计算。另外，续流二极管的选择也很讲究，普通二极管可能无法满足快速关断需求。 保护电路容易被新手忽视。用户可能不知道TVS管的位置摆放会影响保护效果。还有电流检测电阻的功率计算，很多初学者会选错封装导致烧毁。 PCB布局建议部分，用户可能低估了寄生电感的影响。大电流回路面积过大会导致电压尖峰，这个在实际调试时经常出问题。需要强调功率地和信号地的分离技巧。 最后想到用户可能还需要知道如何测试这个电路。应该建议ta重点观测开关波形和温升，这两个是最常见的故障点。不过用户没明确问测试方法，这次就先不展开。 整体回复结构要循序渐进：先讲清原理图设计要点，再说明关键器件选型，最后补充PCB和保护的实用技巧。这样用户从理论到实践都能覆盖到。对了，还得提醒用户注意电机反电动势的风险，这个在断开瞬间特别危险。</think>好的，我们来详细探讨一下使用低边驱动芯片设计电机驱动电路的关键要点和步骤。 ## 核心概念：低边驱动 (Low-Side Drive) 在低边驱动架构中，驱动芯片（通常包含MOSFET栅极驱动器）和功率MOSFET位于电机绕组和**地(GND)**之间。电机绕组的一端连接到电源($V_{BUS}$)，另一端连接到功率MOSFET的**漏极(D)**。MOSFET的**源极(S)**连接到地。当驱动芯片打开MOSFET时，电流从$V_{BUS}$流经电机绕组、MOSFET，再流入地，电机运转。关闭MOSFET则切断电流。 **优点：** * **电路简单：** 驱动电路只需一个N沟道MOSFET（或集成MOSFET的低边开关）和驱动器（如果需要）。 * **驱动容易：** N沟道MOSFET导通电阻($R_{DS(on)}$)小、成本低，且栅极驱动电压($V_{GS}$)相对于地，容易产生（通常$V_{GS} > V_{TH}$即可，例如12V或5V）。 * **成本低：** 单路驱动，元件少。 **缺点：** * **无法提供制动/反向电流路径：** 当MOSFET关断时，电机绕组产生的反电动势没有低阻抗回路快速泄放（主要依赖续流二极管），限制了制动能力。 * **电机端电压浮动：** 关断时，电机连接MOSFET漏极的一端电压会浮动（可能高于$V_{BUS}$），需要小心处理。 * **通常用于单方向控制：** 实现简单单向开/关或PWM调速控制。双向控制需要H桥（包含高边和低边驱动）。 ## 设计步骤与关键考虑因素 ### 1. 明确需求和规格 * **电机类型：** 直流有刷电机？单相/三相无刷直流电机（BLDC）？（低边驱动常用于有刷直流电机或作为BLDC驱动的一部分）。 * **电机电压($V_{MOTOR}$)和最大工作电流($I_{MAX}$):** 决定电源电压($V_{BUS} \approx V_{MOTOR}$)和功率器件的电压/电流等级。 * **控制方式：** 简单开/关？PWM调速？PWM频率要求？ * **保护需求：** 过流、过温、欠压锁定(UVLO)等。 * **控制接口：** 微控制器(MCU)的GPIO电压(3.3V/5V)和驱动能力。 ### 2. 选择低边驱动芯片/方案 根据需求选择合适类型的器件： * **分立方案：** * **MOSFET驱动器 + 分立N-MOSFET:** 驱动器芯片（如TI的UCC2751x, Microchip的TC442x, Infineon的2EDN系列）驱动外部功率MOSFET。**优点：** 灵活选择最优MOSFET。**缺点：** 元件多，布局复杂。 * **选择MOSFET：** 关键参数： * 漏源电压($V_{DSS}$) > $V_{BUS} \times 1.5 \sim 2$ (留足余量应对反电动势尖峰)。 * 连续漏极电流($I_D$) > $I_{MAX} \times 1.5 \sim 2$ (考虑峰值和温升)。 * 导通电阻($R_{DS(on)}$)：尽可能低，减小导通损耗和温升（$P_{COND} = I_D^2 \times R_{DS(on)}$）。 * 总栅极电荷($Q_g$)：影响开关速度和驱动器功耗（$P_{DRV} = f_{PWM} \times Q_g \times V_{DRV}$）。 * 封装和热阻($R_{\theta JA}$)：确保散热能力满足功率损耗要求。 * **集成方案：** * **低边智能功率开关(IPS)：** 将驱动器、功率MOSFET、保护电路（过流、过温、欠压等）集成在一个封装内（如Infineon的BTS系列, ST的VN系列, TI的DRV系列中的部分型号）。**优点：** 设计简单，可靠性高，保护完善。**缺点：** 电流/电压等级选择受限，成本可能稍高。 ### 3. 原理图设计 核心电路如下图所示： ``` +-----------------+ | | | Motor | | | +--------+--------+ | | (Motor Terminal A) | +---------+ +--------+--------+ +-----+ | | | | | | | V_BUS +-----------+ | | | | | | | | | +---------+ | | | | | Low-Side | | | | Driver/Switch| | | | | | | Gate | | Drain | | MCU_PWM +------------+ IN/PWM +----------+ | | | | | | | | | Source | | | +--------+--------+ | | | | | | | | | | | | | | | +-+-+ | | | | | Flywheel Diode | | | | D | (or MOSFET Body | | | | | Diode if used) | | | +-+-+ | | | | | | | | | | | ///// | | +-----------+ +------------------+ | | | Gate Resistor (Rg) | GND | | +-----------------------+ ``` * **电源输入($V_{BUS}$):** 为电机和驱动器（如果需要外部供电）提供能量。必须加**大容量电解电容**（如100uF - 1000uF，根据电流和PWM频率选择）和**高频陶瓷电容**（如0.1uF - 10uF）靠近MOSFET/IPS的电源引脚和地引脚，以提供低阻抗回路，抑制开关噪声和电压波动。 * **电机连接：** 一端接$V_{BUS}$，另一端接MOSFET/IPS的**输出端**（通常标记为OUT, DRAIN）。 * **控制信号(MCU_PWM):** MCU的PWM输出信号连接到驱动芯片/驱动器的**输入引脚(IN/PWM)**。注意： * **逻辑电平兼容性：** 确保MCU的GPIO电压满足驱动芯片输入的高/低电平阈值要求。如果不兼容（如MCU 3.3V, 驱动器需要5V），需加电平转换电路。 * **串联栅极电阻($R_g$):** 在驱动器输出和MOSFET栅极之间**必须**串联一个小电阻（通常在1Ω - 100Ω）。作用： * 限制栅极充电峰值电流，保护驱动器输出级。 * 抑制栅极回路振荡（与MOSFET栅源电容$C_{iss}$和PCB走线电感形成LC振荡）。 * 控制MOSFET开关速度（$R_g$增大，开关速度变慢，开关损耗增加，EMI减小；反之亦然）。需要权衡开关损耗和EMI。 * **续流二极管($D_{flywheel}$):** **至关重要！** 当MOSFET关断时，电机绕组电感会产生反电动势（极性：电机OUT端为负，$V_{BUS}$端为正）。续流二极管为这个反电动势提供低阻抗泄放回路，防止产生破坏性的高压尖峰损坏MOSFET。 * **位置：** 阴极接MOSFET漏极/IPS输出端(OUT)，阳极接地(GND)。 * **选型：** 必须使用**快恢复二极管(Schottky或Ultra-Fast)**。 * 反向电压($V_{RRM}$) > $V_{BUS} \times 1.5 \sim 2$。 * 正向电流($I_F$) > $I_{MAX}$。 * 反向恢复时间($t_{rr}$)尽可能短，以减小开关损耗和电压尖峰。 * **注意：** 许多功率MOSFET内部集成了一个体二极管(Body Diode)。这个二极管的反向恢复特性通常较差($t_{rr}$长)。在开关频率较高或电流较大的应用中，**强烈建议并联一个外部快恢复二极管**，让大部分续流电流走外部二极管，降低损耗和风险。如果使用智能功率开关(IPS)，其内部通常已集成优化的续流路径（二极管或同步整流MOSFET）。 * **保护电路：** * **过流检测(可选但推荐)：** 在MOSFET源极和地之间串联一个**电流检测电阻($R_{sense}$)**。电阻值需小（如几mΩ到几十mΩ），功率足够（$P = I_{MAX}^2 \times R_{sense}$）。检测电阻两端的电压($V_{sense} = I \times R_{sense}$)可送入比较器或驱动芯片的电流检测引脚(如ISEN)，实现过流保护(OCP)。许多IPS内部已集成电流检测和比较器。 * **TVS/稳压二极管(可选但推荐)：** 在MOSFET的漏极(D)和源极(S)之间并联一个**TVS管(瞬态电压抑制二极管)** 或**齐纳二极管**，其钳位电压($V_{CL}$)略高于$V_{BUS}$但低于MOSFET的$V_{DSS}$。作为续流二极管之后的第二道防线，吸收极端情况下（如二极管失效或响应不及时）的电压尖峰。 * **RC缓冲电路(Snubber)(可选)：** 在漏-源极间并联小电容+电阻串联电路，可进一步抑制高频振荡和电压尖峰。需仔细设计参数，避免增加开关损耗。 * **驱动芯片使能/关断(EN/SD)：** 利用驱动芯片或IPS的使能引脚连接MCU，实现软件关断。 * **驱动芯片电源($V_{CC}$):** 如果使用分立驱动器，需要为其提供合适的电源电压（通常5V, 12V或15V）。该电源也需要良好的去耦（陶瓷电容靠近$V_{CC}$和GND引脚）。 ### 4. PCB布局设计 - 至关重要！ 不良的PCB布局会引入寄生电感/电容，导致电压尖峰、振荡、地弹噪声、EMI问题甚至器件损坏。 * **功率回路最小化：** 将 $V_{BUS}$电容(+) -> MOSFET/IPS -> 电流检测电阻($R_{sense}$) -> GND -> $V_{BUS}$电容(-) 形成的功率回路面积做到最小。使用短而宽的铜箔（或电源层/地层），降低回路寄生电感($L_{loop}$)。电压尖峰 $V_{spike} = L_{loop} \times di/dt$。 * **栅极驱动回路最小化：** 驱动器输出 -> $R_g$ -> MOSFET栅极(G) -> MOSFET源极(S) -> 驱动器GND/PGND。这个回路同样需要短而宽，特别是源极到驱动器的地连接。源极电感($L_s$)会引起负反馈，减缓开关速度并可能导致栅极振荡。 * **接地策略：** * **分离功率地(PGND)和信号地(SGND)：** 将大电流功率地（MOSFET源极、$V_{BUS}$电容地、续流二极管地、电流检测电阻地）与小电流信号地（驱动器$V_{CC}$电容地、MCU接口地）分开布线。 * **单点连接(Star Point)：** 在一点（通常是$V_{BUS}$电容的负端或电流检测电阻的地端）将PGND和SGND连接在一起。避免功率地噪声污染敏感的模拟/控制信号地。 * **去耦电容位置：** $V_{BUS}$和$V_{CC}$的去耦电容必须**极其靠近**相应器件的电源引脚和地引脚（理想情况是同层相邻，通过过孔直接连接）。使用多个过孔降低阻抗。 * **散热设计：** MOSFET或IPS是主要热源。根据功耗($P_{TOT} = P_{COND} + P_{SW}$)和热阻($R_{\theta JA}$)计算结温($T_J = T_A + P_{TOT} \times R_{\theta JA}$)。确保$T_J$在安全范围内（通常<125°C - 150°C）。 * 提供足够大的铜箔区域（散热焊盘）连接到器件散热片/漏极。 * 必要时使用散热器。 * 在PCB上添加散热过孔阵列（连接到内层或底层的地平面帮助散热）。 * **敏感信号远离噪声源：** 电流检测信号线、驱动器使能/输入信号线应远离功率走线、开关节点（MOSFET漏极）和电感元件。必要时使用地线屏蔽。 ### 5. 软件控制 * **初始化：** 上电后，先初始化MCU PWM模块，但保持输出为低（MOSFET关断）。待系统稳定（如电源电压正常，无故障标志）后再使能驱动。 * **PWM生成：** 配置MCU定时器产生所需频率和占空比的PWM信号。占空比($D$)直接控制电机平均电压($V_{avg} = D \times V_{BUS}$)，从而控制转速。 * **死区时间(Dead Time)：** 对于低边驱动，通常不需要死区时间（因为只有一个开关管）。但在某些集成方案或与其他驱动配合时，需遵循芯片手册。 * **故障处理：** 使能驱动芯片/IPS的故障检测功能（如过流OC、过温OT、欠压UVLO）。一旦检测到故障，MCU应立即停止PWM输出（或驱动芯片自动关断），并进入故障处理程序（如报警、尝试重启、记录日志等）。故障清除后，需按芯片要求进行复位操作。 ## 总结 设计基于低边驱动芯片的电机驱动电路，关键在于： 1. **理解低边驱动原理和限制。** 2. **精确选择器件（驱动芯片/MOSFET或IPS），满足电压、电流、开关速度和保护需求。** 3. **精心设计原理图，特别是续流二极管、栅极电阻和保护电路。** 4. **进行极其严格的PCB布局，最小化功率回路和栅极回路，优化接地和散热。** 5. **实现稳健的软件控制，包括初始化、PWM生成和故障处理。** 低边驱动是实现简单、经济高效的电机单向控制方案。通过遵循上述设计原则，可以构建出可靠、高效的驱动电路[^1][^2]。
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