MCT8316Z-Q1：三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的全方位解析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，高性能、集成化的驅(qū)動(dòng)芯片一直是工程師們追求的目標(biāo)。MCT8316Z - Q1作為一款專為三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的芯片，憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。今天，我們就來(lái)深入探討一下這款芯片的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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芯片概述

MCT8316Z - Q1集成了三個(gè)半橋MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器、電荷泵、線性穩(wěn)壓器和降壓調(diào)節(jié)器，大大減少了系統(tǒng)的組件數(shù)量、成本和復(fù)雜性。它采用標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口（SPI），方便外部控制器配置各種設(shè)備設(shè)置并讀取故障診斷信息；同時(shí)也提供硬件接口選項(xiàng)，可通過(guò)固定的外部電阻配置常用設(shè)置。此外，該芯片還具備多種保護(hù)功能，如電源欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、過(guò)溫關(guān)機(jī)（OTW和OTSD）等，為電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

產(chǎn)品版本差異

引腳配置與功能

MCT8316ZR - Q1和MCT8316ZT - Q1均采用40引腳VQFN表面貼裝封裝，引腳功能豐富多樣。以下是一些關(guān)鍵引腳的功能介紹：

• ADVANCE：超前角電平設(shè)置引腳，通過(guò)外部電阻可設(shè)置7個(gè)電平。
• AVDD：3.3 V內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出，需連接X5R或X7R、1 μF、6.3 V陶瓷電容到AGND引腳，該穩(wěn)壓器可向外提供高達(dá)30 mA的電流。
• BRAKE：高電平使電機(jī)制動(dòng)，低電平為正常運(yùn)行。
• FGOUT：電機(jī)速度指示輸出，開漏輸出，需外部上拉電阻到1.8 V至5.0 V，可設(shè)置為霍爾信號(hào)的不同分頻因子。
• ILIM：設(shè)置相電流閾值，用于逐周期電流限制。
• nSLEEP：低電平時(shí)設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠模式，20至40 μs的低脈沖可用于復(fù)位故障條件。

詳細(xì)特性

輸出級(jí)

芯片集成了95 mΩ（高側(cè)和低側(cè)FET導(dǎo)通電阻之和）的NMOS FET，采用三相橋配置。倍壓電荷泵為高側(cè)NMOS FET提供適當(dāng)?shù)臇艠O偏置電壓，支持100%占空比；內(nèi)部線性穩(wěn)壓器為低側(cè)MOSFET提供柵極偏置電壓。

PWM控制模式（1x PWM模式）

提供七種不同的控制模式，支持各種換相和控制方法。在1x PWM模式下，可使用模擬或數(shù)字霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)，通過(guò)PWM引腳設(shè)置輸出頻率和占空比。該模式通常采用同步整流，但也可配置為異步整流。

設(shè)備接口模式

支持SPI和硬件兩種接口模式，兩種模式共享四個(gè)引腳，引腳兼容，方便應(yīng)用設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)估和切換。

• SPI接口：支持串行通信總線，外部控制器可通過(guò)SCLK、SDI、SDO和nSCS引腳與芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，配置設(shè)備設(shè)置并讀取詳細(xì)故障信息。
• 硬件接口：將四個(gè)SPI引腳轉(zhuǎn)換為四個(gè)可通過(guò)電阻配置的輸入引腳（ADVANCE、MODE、SLEW和VSEL_BK），無(wú)需SPI總線，通用故障信息可通過(guò)nFAULT引腳獲取。

降壓混合模式降壓調(diào)節(jié)器

集成的降壓調(diào)節(jié)器可與AVDD配合，為外部控制器或系統(tǒng)電壓軌提供3.3 V或5.0 V的穩(wěn)壓電源，也可配置為4.0 V或5.7 V，為外部LDO提供額外的裕量。輸出電壓可通過(guò)VSEL_BK引腳（硬件變體）或BUCK_SEL位（SPI變體）設(shè)置。降壓調(diào)節(jié)器在輕載時(shí)具有約1 - 2 mA的低靜態(tài)電流，采用脈沖頻率電流模式控制方案，可減少輸出電容需求，簡(jiǎn)化頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

電荷泵

為使輸出級(jí)的N溝道FET充分增強(qiáng)，芯片集成了電荷泵電路，產(chǎn)生高于VM電源的電壓。電荷泵需要兩個(gè)外部電容，當(dāng)nSLEEP為低電平時(shí)，電荷泵關(guān)閉。

壓擺率控制

通過(guò)調(diào)節(jié)半橋MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)壓擺率控制。每個(gè)半橋的壓擺率可通過(guò)SLEW引腳（硬件變體）或SLEW位（SPI變體）進(jìn)行調(diào)整，可設(shè)置為25 V/μs、50 V/μs、125 V/μs或200 V/μs。

交叉導(dǎo)通（死區(qū)時(shí)間）保護(hù)

為防止MOSFET交叉導(dǎo)通，芯片通過(guò)插入死區(qū)時(shí)間（tdead）來(lái)確保高側(cè)和低側(cè)MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。通過(guò)檢測(cè)高側(cè)和低側(cè)MOSFET的柵源電壓（VGS），確保高側(cè)MOSFET的VGS降至關(guān)斷電平以下后，再開啟同一半橋的低側(cè)MOSFET。

傳播延遲與驅(qū)動(dòng)器延遲補(bǔ)償

傳播延遲時(shí)間（tpd）包括數(shù)字輸入去毛刺延遲、模擬驅(qū)動(dòng)器和比較器延遲。芯片內(nèi)部監(jiān)測(cè)傳播延遲，并添加可變延遲以提供固定延遲，減少電流測(cè)量時(shí)間的不確定性和占空比失真。驅(qū)動(dòng)器延遲補(bǔ)償功能僅在SPI變體中可用，可通過(guò)配置DLYCMP_EN和DLY_TARGET啟用。

主動(dòng)消磁

芯片具有智能整流功能（主動(dòng)消磁），可減少二極管導(dǎo)通損耗，降低設(shè)備功耗。該功能可通過(guò)MODE引腳（硬件變體）或EN_ASR和EN_AAR位（SPI變體）進(jìn)行配置，分為自動(dòng)同步整流（ASR）模式和自動(dòng)異步整流（AAR）模式。

逐周期電流限制

當(dāng)流經(jīng)低側(cè)MOSFET的電流超過(guò)ILIMIT電流時(shí)，電流限制電路將被激活，將電機(jī)電流限制在ILIMIT以下。電流限制閾值可通過(guò)配置ILIM引腳在AVDD/2至（AVDD/2 - 0.4）V之間進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電流限制激活時(shí)，高側(cè)FET將被禁用，直到下一個(gè)PWM周期開始。

霍爾比較器

三個(gè)比較器用于處理霍爾效應(yīng)傳感器的原始信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相?；魻柋容^器具有滯回特性，檢測(cè)閾值以0為中心。為防止PWM噪聲耦合到霍爾輸入，可在霍爾輸入之間添加電容。

超前角

芯片具有超前角功能，可根據(jù)ADVANCE引腳（硬件變體）或ADVANCE位（SPI變體）上的電壓，將換相提前指定的電角度。

FGOUT信號(hào)

FGOUT信號(hào)為開漏輸出，可用于BLDC電機(jī)的閉環(huán)速度控制。在MCT8316ZR - Q1（SPI變體）中，F(xiàn)GOUT可配置為霍爾信號(hào)的不同分頻因子；在MCT8316ZT - Q1（硬件變體）中，默認(rèn)模式為FGOUT_SEL = 00b。

保護(hù)電路

芯片具備多種保護(hù)功能，包括電源欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)壓保護(hù)（OVP）、電荷泵欠壓鎖定（CPUV）、AVDD欠壓鎖定（AVDD_UV）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、電機(jī)鎖定檢測(cè)（MTR_LOCK）、熱警告（OTW）和熱關(guān)機(jī)（OTS）等。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，nFAULT引腳將被拉低，并在SPI寄存器中記錄詳細(xì)信息。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

MCT8316Z - Q1可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)具體需求配置外部組件，如電容、電阻、電感等。以下是MCT8316ZT - Q1（硬件變體）和MCT8316ZR - Q1（SPI變體）的主要應(yīng)用原理圖：

霍爾傳感器配置

• 典型配置：霍爾傳感器輸出差分信號(hào)，可在霍爾輸入之間添加1 nF至100 nF的電容，以幫助抑制電機(jī)耦合的噪聲。
• 開漏配置：對(duì)于具有開漏輸出的數(shù)字霍爾傳感器，需添加幾個(gè)電阻。負(fù)（HNx）輸入通過(guò)AVDD引腳和地之間的一對(duì)電阻偏置到AVDD / 2，正（HPx）輸入可能需要一個(gè)上拉電阻到VREG引腳。
• 串聯(lián)配置：當(dāng)每個(gè)霍爾傳感器的電流需求較高（>10 mA）時(shí)，可采用霍爾傳感器串聯(lián)配置，由芯片內(nèi)部LDO（AVDD）供電。
• 并聯(lián)配置：當(dāng)每個(gè)霍爾傳感器的電流需求較低（<10 mA）時(shí)，可采用霍爾傳感器并聯(lián)配置，由AVDD供電。

典型應(yīng)用 - 三相無(wú)刷直流電機(jī)電流限制控制

在該應(yīng)用中，MCT8316Z - Q1用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，電流限制可達(dá)100%占空比。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素：

• 電機(jī)電壓：無(wú)刷直流電機(jī)通常有額定電壓，芯片支持4.5 V至40 V的電源電壓，較高的工作電壓可獲得更高的轉(zhuǎn)速，較低的電壓有助于更精確地控制相電流。
• 主動(dòng)消磁：?jiǎn)⒂弥鲃?dòng)消磁功能可減少功率損耗，通過(guò)設(shè)置EN_ASR和EN_AAR位（SPI變體）或MODE引腳（H/W變體）來(lái)啟用。

電源供應(yīng)建議

大容量電容

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)谋镜卮笕萘侩娙葜陵P(guān)重要。所需的本地電容數(shù)量取決于多種因素，如電機(jī)系統(tǒng)所需的最大電流、電源的電容和電流能力、電源與電機(jī)系統(tǒng)之間的寄生電感、可接受的電壓紋波、電機(jī)類型和制動(dòng)方法等。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)提供推薦值，但需進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試以確定合適的大容量電容。大容量電容的電壓額定值應(yīng)高于工作電壓，以應(yīng)對(duì)電機(jī)向電源傳輸能量的情況。

布局指南

布局準(zhǔn)則

• 大容量電容應(yīng)盡量靠近芯片，減少高電流路徑的距離，連接金屬走線應(yīng)盡可能寬，并使用多個(gè)過(guò)孔連接PCB層，以降低電感，使大容量電容能夠提供大電流。
• 小值電容（如電荷泵、AVDD和VREF電容）應(yīng)采用陶瓷電容，并靠近設(shè)備引腳放置。
• 高電流設(shè)備輸出應(yīng)使用寬金屬走線。
• 為減少大瞬態(tài)電流對(duì)小電流信號(hào)路徑的噪聲耦合和EMI干擾，應(yīng)將PGND和AGND分區(qū)接地。建議將所有非功率級(jí)電路（包括散熱墊）連接到AGND，以減少寄生效應(yīng)，提高設(shè)備的功率耗散。
• 設(shè)備散熱墊應(yīng)焊接到PCB頂層接地平面，并使用多個(gè)過(guò)孔連接到底層大接地平面，以幫助散發(fā)設(shè)備產(chǎn)生的熱量。
• 為提高熱性能，應(yīng)最大化連接到散熱墊接地的接地面積，并使用厚銅層降低結(jié)到空氣的熱阻，改善芯片表面的散熱。
• 分離SW_BUCK和FB_BUCK走線，用接地隔離，以減少降壓開關(guān)噪聲耦合到降壓外部反饋回路。盡量加寬FB_BUCK走線，以實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載切換。

布局示例

文檔提供了VQFN封裝的推薦布局示例，可作為參考。

設(shè)備與文檔支持

文檔支持

可訪問(wèn)MCT8316ZT - Q1EVM工具頁(yè)面，下載相關(guān)文檔，如BLDC集成MOSFET熱計(jì)算器工具、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率耗散計(jì)算文檔、PowerPAD?熱增強(qiáng)封裝文檔等。

支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、可靠答案和設(shè)計(jì)幫助的重要來(lái)源，可搜索現(xiàn)有答案或提出自己的問(wèn)題。

靜電放電注意事項(xiàng)

該集成電路易受ESD損壞，建議在處理所有集成電路時(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，否則可能導(dǎo)致性能下降或設(shè)備完全失效。

術(shù)語(yǔ)表

文檔提供了術(shù)語(yǔ)、首字母縮寫詞和定義的解釋，方便讀者理解相關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)。

總結(jié)

MCT8316Z - Q1是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有豐富的功能和保護(hù)特性，適用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理配置芯片的參數(shù)和外部組件，遵循布局指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對(duì)大家在使用MCT8316Z - Q1芯片進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在使用這款芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。