按摩椅中的有刷电机驱动
【导读】近年来，随着人们健康意识的增强，亚健康、中国老年、商旅办公等人群的扩大，以及智能化按摩椅产品的不断更新升级，具有良好按摩保健功效的按摩椅正逐步获得广大消费者的认可。从电机的种类上来看，有刷电机因其简单的控制方式和优良的转矩控制特性，在调速领域一直占有主导地位。为了提高功率，按摩椅中的驱动往往采用12/24V有刷电机，考虑到电机运转中的瞬态电压，往往会采用40-50V耐压范围的驱动芯片。
本文会着重介绍TI集成MOSFET的有刷电机驱动芯片的电流输出级特性，以及如何增强驱动峰值电流。
有刷电机驱动芯片的电流输出
图表 1：DRV8840输出级
由于在按摩椅的使用场景中，经常会遇到重载启动或高转矩运转的情况，下面先对有刷电机驱动的输出电流部分进行分析：
有刷电机的速度由加在电机电枢两端的电压决定，方向由芯片内部集成的H桥来控制，速度越快时产生的反电动势越大。下面公式中I为流过电机线圈的电流，U为电机两端外加电压，E为反电动势，R为线圈电阻。
当电机堵转或者刚启动时，速度为0则反电动势为0，此时电流最大，对应了驱动芯片带载能力。为了避免堵转时电流过大烧毁电机，TI的BDC驱动芯片都具有限流功能，以DRV8840（图表 1）为例，通过在ISEN引脚上串联一个采样电阻，将这个电压与参考电压VREF进行比较，得到限流阈值：
这个大电流会通过Rsense采样电阻，往往这个电阻会采用毫欧级别的功率电阻，占板面积较大。并且在按摩椅的一些应用场合中需要采集此电流值，来判断电机的输出扭矩，这时还需要一颗额外的运放以增大ADC的输入阻抗，再通过ADC来实现电流采集。在传统的有刷电机驱动应用中，这种方式最为普遍，占用的PCB板面积也最大。
有刷电机驱动芯片新特性
在TI最新的50V耐压的有刷电机驱动芯片中，例如DRV8256（图表 2），内部采用了电流镜的技术，在启动期间和高负载事件中，集成电流感测可实现通过驱动器调节电机浪涌电流。结合可调外部电压基准Vref，可设置电流限值。
这种技术无需大功率分流电阻器，可以节省电路板面积并降低系统成本，但也失去了预留在外的电流路径，这样对于一些需要采集总电流的场合也不适用。值得注意的是无法在OUT1和OUT2引脚之间，再串接采样电阻，这个电流是双向变化的，同时对地共模电压也非常高，无须也没必要再额外引入一路浮地的运放和电源。同样也不建议在PGND引脚和地之间串接采样电阻，这样会破坏PGND（功率地）和GND（逻辑地）之间的电势差，导致控制逻辑出错。
图表 2：DRV8256输出级
又或者参考TI另一颗有刷电机驱动芯片DRV8251A（图表 3），芯片内部的电流镜将通过下管MOSFET的电流镜像成一个电流源，缩小一个AIPROPI（uA/A）系数，通过外接在IPROPI引脚上的一个大电阻（kΩ）转换成一个电压值VIPROPI，再接入ADC的输入端进行电流采集。这种比例电流镜的方式不但省去了一个mΩ级的大个头采样电阻，内部电流源产生的采样电压专供采样电阻，输入阻抗足够大，可以直接进ADC采样端。
图表 3：DRV8251A输出级
并联驱动芯片以提高带载能力
由于TI的有刷电机驱动芯片内置MOSFET，Rds-on决定了持续电流通过时的发热量，当温升超过节温限制时芯片将强制进入OTP保护，并在温度回落或者固定时长后auto retry。当负载的电流需求超过了单颗有刷电机驱动芯片的电流峰值时，除了了选用更大封装，优化散热盘layout之外，还有一种并联驱动芯片以提高电流输出能力的方法。
如图表 4所示：将两颗相同的DRV8251A输入和输出级并联，电流会均分到两颗芯片内部的H桥中，在不触发过流保护的前提下增加了输出端的驱动能力。
图表 4：并联DRV8251A提高电流输出能力
在调整芯片限流值时有以下两点需要注意：
● 前面提到的芯片限流值由IPROP和Vref两个引脚上的电压比较决定的，一般会使用同一个3V电源轨来对Vref引脚进行供电。如果分别对两颗芯片进行电流采样，且采样电阻上使用的是常见的1%精度的贴片电阻，往往会在IPROP引脚上引入一个最高2%的误差，这会意味着两颗芯片的限流值不同。
● 不同芯片中H桥的MOSFET内阻并不完全一致，如果仅将输入输出引脚并联，会导致电流无法平均流向两颗芯片。叠加以上两点，限流值不同的两颗芯片驱动能力并不是简单的相加关系，一颗芯片进入限流状态时由于负载过大，会导致另一颗芯片也进入限流状态。
一个简单的解决方案是将两颗芯片的Vref引脚用同一个电源轨供电，将IPROP引脚连到同一个采样电阻上，这样可以保证两颗芯片的限流值一样，输出电流也呈线性关系。
作者：Sirui Zhu
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