由于MCU和DSC的成本大幅下降，目前多數(shù)馬達(dá)控制設(shè)計(jì)中都使用MCU和數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）來執(zhí)行馬達(dá)控制算法。本文介紹了一些方法和技巧，可將MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口（I/O）與功率電子驅(qū)動(dòng)電路接口，并講述了如何正確地進(jìn)行相關(guān)硬件及軟件開發(fā)的方法。

　　在進(jìn)行MCU或DSC的邏輯層輸入/輸出口（I/O）與功率電子驅(qū)動(dòng)電路的接口設(shè)計(jì)時(shí)，除了性能和價(jià)格需要權(quán)衡考慮外，還有許多方面要折衷處理。我們可根據(jù)以下問題來選擇接口元件：

　　1. 本電路需要驅(qū)動(dòng)何種馬達(dá)？

　　2. 該馬達(dá)采用何種算法進(jìn)行控制？

　　3. 控制器外設(shè)可簡(jiǎn)化哪些接口要求？

　　4. 電氣安全要求是什么？

　　5. 此設(shè)計(jì)是否用于產(chǎn)品開發(fā)？

　　柵極驅(qū)動(dòng)接口電路

　　半橋輸出電路結(jié)構(gòu)可用于控制多種馬達(dá)，包括有刷直流馬達(dá)、無(wú)刷直流馬達(dá)、交流感應(yīng)式馬達(dá)及永磁交流馬達(dá)。電源級(jí)電路需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)接口電路，該電路至少應(yīng)具備以下功能：1. 將MCU的邏輯輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在晶體管的柵極和源極間提供一個(gè)10-15V的電平。2. 在晶體管的開通和關(guān)斷時(shí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，以克服米勒電容的影響。

　　高端輸出器件向來是柵極驅(qū)動(dòng)接口電路的一個(gè)問題。在電源輸出級(jí)電路中，無(wú)論是高端或低端輸出都應(yīng)該采用N溝道器件。在裸片尺寸和擊穿電壓固定的情況下，P溝道器件的導(dǎo)通電阻往往比N溝道器件高。使用P溝道器件可簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路，但會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。裸片尺寸越大成本越高，而且P溝道器件往往比同類的N溝道器件成本高。

　　由于低端器件的電位是相對(duì)于電路的接地點(diǎn)而言的，因此在電源級(jí)電路中產(chǎn)生一個(gè)用于低端器件的柵極電源電壓十分容易。柵極控制電壓必須以源極電壓為參考，在高端晶體管中它是滿幅電壓。因此，電源級(jí)電路中的高端器件需要一個(gè)柵極電源，該電源基于源極電壓上下浮動(dòng)。

　　現(xiàn)在有許多便宜的IC可簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。但其中有些只是簡(jiǎn)單的大電流驅(qū)動(dòng)電路，不具備高端器件所需的電平轉(zhuǎn)換電路。另一些則包括電平轉(zhuǎn)換電路，可直接與邏輯及功率器件接口。選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)要視設(shè)計(jì)的絕緣要求而定。光電耦合器既可以滿足電平轉(zhuǎn)換要求，又使我們可在設(shè)計(jì)中選用簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)器IC。

　　在許多馬達(dá)控制設(shè)備中，線路總電源從與AC線路直接相連的全波整流電路獲得并經(jīng)過濾波。整流器的低端電壓成為整個(gè)電路的參考電壓（0V）。不過，這一參考電壓并非接地電壓。在低端也存在交流電壓，它在OV左右和峰值線電壓間來回波動(dòng)。在許多低成本應(yīng)用中，將MCU或DSC基于這一低端電位上下浮動(dòng)是有意義的。不過，如果設(shè)計(jì)要求測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的話，出于安全考慮最好加上信號(hào)隔離。至少在產(chǎn)品開發(fā)階段使用的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)硬件應(yīng)該具有信號(hào)隔離功能。

　　即使從盡量減少破壞來考慮，也應(yīng)該采用隔離電路。在某一具體設(shè)計(jì)中，即使沒有隔離反饋信號(hào)，也應(yīng)該隔離柵極控制信號(hào)。否則，電源器件可能會(huì)損壞或短路，從而使得直流總線電壓通過驅(qū)動(dòng)電路耦合回來并流入邏輯器件中。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器IC通常具有其它特性，包括欠壓斷電保護(hù)、插入一段死區(qū)、防止高端功率器件和低端功率器件交叉導(dǎo)通以及過電流自動(dòng)關(guān)機(jī)等。不過這些功能也會(huì)增加額外成本。

　　有多種方法可產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源。原則上來說，高端驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)比DC總線電壓高出10-15V的電壓，用于輸出級(jí)電路。由于自舉電路無(wú)需浮動(dòng)電源，因此是最便宜的。如圖1所示，自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。下面的晶體管開通時(shí)將高端晶體管的源極電壓拉到0 V，只有此時(shí)電路才對(duì)電容器充電。電容器必須儲(chǔ)備足夠的電荷，以便在上端的晶體管處于開通狀態(tài)時(shí)維持所需的柵極電壓。由于帶有電容器，自舉電源無(wú)法保證上面的晶體管一直開通。當(dāng)自舉電容器上的電壓下降時(shí)，高端器件便會(huì)關(guān)斷。

　　由自舉電路的局限性所產(chǎn)生的副作用與馬達(dá)類型有關(guān)。對(duì)用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)而言，自舉電路會(huì)限制加在反相器上的PWM占空比。我們可以通過改變自舉電路中元件的大小來增大占空比。不過，由于BLDC和SR電動(dòng)機(jī)需要換相，因此通常不采用自舉電路。

　　如果高端器件的柵極驅(qū)動(dòng)必須保持連續(xù)，那么必須使用浮動(dòng)電路來產(chǎn)生比直流總線電壓高10 V至15 V的電壓。我們可以采用充電泵電路，它的電壓是相對(duì)高端晶體管的源極電壓而言的。另一種方法則是用一個(gè)高頻信號(hào)來調(diào)制柵極信號(hào)，這樣在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，高頻信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)。在圖2中，調(diào)制信號(hào)通過一只變壓器耦合到晶體管的柵極和源極，并在變壓器的次級(jí)經(jīng)過整流產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓。但是，這兩種方法都會(huì)增加設(shè)計(jì)的成本。