無刷直流電動(dòng)工具的新搭檔
——1kW BLDC Board featuring SuperS08
日前,英飛凌推出一款功率為1kW的無刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)方案——EVAL_SSO8_1KW_BLDC,適用于無繩類的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,如電動(dòng)工具等。如下圖所示,EVAL_SSO8_1KW_BLDC產(chǎn)品包裝像一個(gè)專業(yè)的工具箱,內(nèi)部的配件也是夠讓人覺得不可思議的。怎么說呢?粗看下來有些雜亂,但是實(shí)際內(nèi)部配件的“脈絡(luò)”很清晰、也很簡(jiǎn)單。
● 一塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板EVAL_SSO8_1KW_BLDC
● 一個(gè)資料U盤
● 一根USB轉(zhuǎn)串口線,以及一根可供DIY的排線
第一眼感覺,主板很是小巧,實(shí)際測(cè)量的結(jié)果是9cm ×3.6cm×1cm,還不如一張名片大。EVAL_SSO8_1KW_BLDC在PCB Layout的時(shí)候,將主板的電機(jī)控制部分、驅(qū)動(dòng)部分以及濾波部分分別劃分開來,無論是對(duì)板卡的布局、DIY都提供了便利的條件,如下圖所示。
● 3相BLDC驅(qū)動(dòng)電路:半橋柵極驅(qū)動(dòng)IC(2EDL05N06PF數(shù)據(jù)手冊(cè))、低壓功率MOS管(BSC010N04LSI數(shù)據(jù)手冊(cè)、SuperSO8封裝)
● 額定輸入電壓:20VDC、持續(xù)輸出電流50A、峰值輸出電流達(dá)200A
從EVAL_SSO8_1KW_BLDC的實(shí)物板卡上粗看下來,我們可能對(duì)于板載電路的理解不夠透徹,事實(shí)上,如果組成一個(gè)完整的應(yīng)用,我們還需要電機(jī)的配合,如下圖硬件框圖所示。
英飛凌XMC1302微控制器+英飛凌半橋驅(qū)動(dòng)IC 2EDL05N06PF+英飛凌BSC010N04LSI MOS管組成的半橋電路是整個(gè)EVAL_SSO8_1KW_BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的核心。當(dāng)然,如果要詳細(xì)了解EVAL_SSO8_1KW_BLDC開發(fā)板,還是要花費(fèi)一些功夫的,首先從開發(fā)板的主控部分來看。
● 控制部分
EVAL_SSO8_1KW_BLDC板卡的主控部分基于英飛凌自家的XMC1302微控制器,對(duì)于英飛凌家族的XMC1000系列微控制器,大家都應(yīng)該不是太陌生,它主要基于ARM Cortex-M0內(nèi)核,包括3個(gè)產(chǎn)品系列:其中XMC1100系列屬于入門型產(chǎn)品,XMC1200系列主要用于LED顯示和交互控制,而XMC1300系列主要用于實(shí)時(shí)控制如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等。
XMC1302微控制器特性:
● 基于32位ARM Cortex-M0處理器,8KB on-chip ROM、16KB SRAM、200KB Flash
● 兩個(gè)通用串行接口通道(USIC):可用作UART、SPI、I2C、I2S、LIN接口
● AD轉(zhuǎn)換、3個(gè)模擬比較器、溫度傳感器
● 工業(yè)控制外設(shè):CCU4、CCU8、POSIF、BCCU
● 系統(tǒng)控制單元:WDT、RTC、SCU(用于系統(tǒng)配置和控制)
對(duì)于英飛凌面向電機(jī)控制領(lǐng)域的微控制器,其內(nèi)部有許多特殊的單元,如XMC1302中介紹的CCU4,這是主要用于通用的定時(shí)器、像CCU8單元?jiǎng)t用于電機(jī)控制和功率轉(zhuǎn)換、POSIF用于Hall傳感器、正交編碼器以及電機(jī)的定位、BCCU單元可以用于LED的顏色以及調(diào)光應(yīng)用,可以說,每種功能都有不同的獨(dú)到之處,為工程師提供了便利的開發(fā)環(huán)境。
說完XMC1302微控制器,再來看看主控制板本身的外設(shè)接口定義,如下圖所示。
主板引出的信號(hào)線包括了電機(jī)轉(zhuǎn)換方向控制、調(diào)試、UART通信、Hall傳感器采集等信號(hào),配合英飛凌XMC1302微控制器,可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電機(jī)控制。
● 驅(qū)動(dòng)部分
實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能主要是通過英飛凌的半橋驅(qū)動(dòng)IC2EDL05N06PF以及功率MOS管BSC010N04LSI的組合,首先來看下背面的半橋驅(qū)動(dòng)IC 2EDL05N06PF,如下圖所示。
這是英飛凌2EDL家族系列的產(chǎn)品,在電路中的設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單,可以用來控制功率器件如MOS管以及IGBTs。
再來翻到電源驅(qū)動(dòng)板的正面,這一面乍眼一看似乎有些“粗獷”,正面的這幾個(gè)“銅塊柱”代表了不同的含義,包括電源供電的正負(fù)極,三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的U、V、W信號(hào)。
而在”銅柱“下面則是板載的功率MOS器件,由12顆MOS管(BSC010N04LSI)組成的半橋驅(qū)動(dòng)電路。
BSC010N04LSI是英飛凌OptiMOS系列的低功率MOS管,采用了SSO8封裝,通態(tài)電阻值只有1.05mΩ,非常適用于同步整流,具體的參數(shù)如下表。
如果仔細(xì)觀察原理圖的話會(huì)發(fā)現(xiàn)在MOS管的柵極都串聯(lián)著一顆100Ω的電阻,這是用來干什么的呢?
事實(shí)上,這些100Ω阻值的電阻在主要是用來改善電路的性能,比如增加阻值,則會(huì)增加電路損耗,降低MOS開關(guān)的速度,從而導(dǎo)致低壓過沖,這時(shí)就需要較低的濾波電容值;相應(yīng)的,如果降低阻值,則會(huì)導(dǎo)致增加MOS開關(guān)的速度,從而導(dǎo)致電路的寄生電感,引起更高的電壓過沖,所以,這顆電阻值的選取要根據(jù)電路的實(shí)際需求來決定,比如EVAL_SSO8_1KW_BLDC板卡則是采用了10顆2.2uF的多層陶瓷電容來過濾高頻電流。
● 濾波部分
濾波部分就顯而易見的,除了上文提到的10顆2.2uF的多層陶瓷電容,板卡還搭載了一個(gè)“巨大”的電解電容,如圖所示。
我們需要注意的是,在板卡上電使用的時(shí)候,板載的這顆大電解電容是用來濾波的,所以電源驅(qū)動(dòng)的供電線(接在“銅柱”上)要盡可能的短,否則大的紋波電流可能導(dǎo)致這個(gè)濾波電容提前損壞,如果實(shí)在是需要使用一根長(zhǎng)的供電線,那有必要在供電源處并聯(lián)一個(gè)4700uF/50V的電容。
EVAL_SSO8_1KW_BLDC開發(fā)
當(dāng)真正拿到英飛凌EVAL_SSO8_1KW_BLDC開發(fā)板的時(shí)候,我們又當(dāng)該如何開始呢?首先可以通過附贈(zèng)的U盤來獲取資料以及IDE開發(fā)工具、下載工具等,英飛凌為此提供了整套便利的資源。
EVAL_SSO8_1KW_BLDC開發(fā)板是基于XMC系列微控制器,英飛凌為XMC提供了專門的IDE工具DAVE,在U盤中也提供DAVE v3的版本,不過在英飛凌官網(wǎng)有最新的DAVE v4版本,如果有興趣的不妨使用最新的版本。
另外,在板卡實(shí)際的開發(fā)調(diào)試、工作的過程中,板卡的供電線需要自己手動(dòng)焊上去。
小結(jié)
精致、小巧的板卡做工,板載基于ARM Cortex-M0處理器的英飛凌XMC1302系列低功耗微控制器、半橋驅(qū)動(dòng)IC 2EDL05N06PF以及OptiMOS BSC010N04LSI等資源,配合英飛凌強(qiáng)大免費(fèi)的DAVE IDE工具,工程師可以快速的上手面向1kw的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。