LKS凌鷗LKS32MC08x中壓中小功率無刷電機驅動開發板簡介（1）

題注：首先感謝凌鷗贈送的LKS32MC083中壓中小功率無刷電機驅動開發板。

首先來看看KS32MC08x的電機驅動開發板的靚照吧

該說明適用于LKS(凌鷗簡稱)所有無內置預驅芯片的中壓中小功率 EVB 板。

1、概述

該 EVB 板為 DC20~60V 輸入，在 DC60V 時功率在 200W 以下。根據板子上 MCU 內的程可以實現無感方波、有感或無感 FOC 控制控制。支持按鍵啟停和模擬電位器調速，串口通訊等功能。下圖1所示為板子的實物圖及硬件功能接口示意。

該功率底板適用于 LKS32MC081、LKS32MC082、LKS32MC083、LKS32MC087、LKS32MC088、 LKS32MC089 、 LKS32MC080 芯 片 的 低 壓 中 小 功 率 EVB 板 ， 版 本 編 號 為LKS_EVB_MVPOWPRE_V1.0。

2、硬件說明

該評估板由兩塊板子連接而成，一塊為功率底板：LKS_EVB_MVPOWPRE，一塊為MCU 板，其中LKS所有無內置預驅芯片對應的MCU板都可以使用這套功率板；

下面對上圖中各接口和功能做說明：

1. DC 電源輸入：DC20~60V 電源輸入，在 DC60V 時功率在 200W 以下；

2. 電源芯片：用電源芯片 LKS611 芯片及 78L05，分別將輸入電源電壓轉換成 14.5V 及5V，分別給預驅芯片、MCU 及外圍電路供電。跳帽的作用為接入電源，為預驅、MCU 及外圍電路提供電源；

3. 電源指示燈：上電后電源正常，電源指示燈是正常；

4. MCU 板插座：P1、P2 是 MCU 接插口，連接 MCU 板；

5. START 按鍵：功能按鍵，電機啟動按鍵。參考附件原理圖；

6. STOP 按鍵：功能按鍵，電機停止按鍵。參考附件原理圖；

7. 電位器：用于模擬調速，通過 P1 接插件連接到 MCU 引腳。參考附件原理圖中模擬信號輸入；

8. UART 串口：支持無線串口調試及通信。參考附件原理圖中無線串口調試及通信；

9. HALL 口：用于有 HALL 的電機驅動，連接電機 hall 口，HALL 供電由 5V 提供。參考附件原理圖中 hall 接口；

10. 電流采樣方式選擇：P5、P6、P7 三個三 Pin 插針，用跳帽進行選擇電流采樣模式，跳左端為 MOS 內阻采樣，跳右端為三電阻采樣；其中三電阻采樣需要可根據實際采樣增益修改匹配的電阻值。參考附件原理圖中電流采樣方式；

11. 電機三相輸出 UVW：電機 U、V、W 三相輸出。輸出能力持續電流最大 15A，視MOS 管型號而定，可參考附件原理圖功率模塊。

注意事項：

1. 硬件上電前用萬用表檢測是否有短路，檢測焊接是否完整，有無漏焊、連焊等情況；

2. 上電正常后。連接仿真器時應注意正負極是否對應，CLK、DIO 是否對應；

3. 當出現故障，應立即斷電或用鑷子使芯片復位。

EVB底板PCB：

LKS32MC083核心板PCB

3. 驅動電路設計說明

3.1. 三相驅動原理圖：

3.1.1 功率模塊



峰值電流驅動的需求針對 MOSFET 驅動器的討論主要是考慮內部和外部因素而導致 MOSFET 驅動器產生功耗。所以需要計算出 MOSFET 驅動器的功率損耗，進而利用計算值為驅動器選擇正確的封裝和計算結溫。

在實際應用中，MOSFET 驅動器與 MOSFET 的參數匹配，主要是按應用的需要去控制功率 MOSFET 導通和截止的速度快慢 （柵極電壓的上升和下降時間）。應用中優化的上升 / 下降時間取決于很多因素，如 EMI（傳導和輻射），開關損耗，引腳 / 電路的感抗，以及開關頻率等。

MOSFET 導通和截止的速度與 MOSFET 柵極電容的充電和放電速度有關。MOSFET 柵極電容、導通和截止時間與 MOSFET 驅動器的驅動電流的關系可以表示為：

dT = (dV * C)/I

其中：

dT = 導通 / 截止時間

dV = 柵極電壓

C = 柵極電容 （從柵極電荷值）

I = 峰值驅動電流 （對于給定電壓值）

柵極電荷和電容及電壓的關系為:

Q = C* V

上面的公式可重寫為：

dT= Q/I

其中：

Q = 總柵極電荷上述公式假設電流 （I）使用的是恒流源。如果使用 MOSFET 驅動器的峰值驅動電流來計算，將會產生一些誤差。MOSFET 驅動器的驅動能力通常由峰值電流驅動能力來表示。

3.1.2 設計示例：

利用下列設計參數，可以計算出 MOSFET 驅動器的峰值驅動電流：

通過 MOSFET 的數據手冊查得：

MOSFET 柵極電荷 = 20 nC （Q）

需要的 MOSFET 柵極電壓 = 12V （dV）

導通 / 截至時間 = 40 ns （dT）

使用前面推導的公式：dT = Q/I

I=Q/dT

I=20nc/40ns

I = 0.5A

因此 MOSFET 驅動器的電流驅動能力不應小于 0.5A.

3.1.3 驅動電阻 R 大小的確定為了減少死區時間對控制性能的影響，總是希望設置的死區時間要越小越好，但過小的死區時間會引起上下管直通，損壞功率管。一般死區時間選擇在 500ns~2500ns之間。MOSFET 的 GS 之間存在的電容叫柵極電容 C，管子驅動電流越大，這個柵極電容 C 也越大，一般在 1-10nf 之間，同時需要考慮驅動電路上的等效電容和彌勒效應引起的電容。

電容的充放電時間計算：

假設有電源 Vu 通過電阻 R 給電容 C 充電，V0 為電容上的初始電壓值，Vu 為電容充滿電后的電壓值，Vt 為任意時刻 t 時電容上的電壓值，那么便可以得到如下的計算公式：

Vt = V0 + (Vu – V0) * [1 – exp( -t/RC)]

如果電容上的初始電壓為 0，則公式可以簡化為：

Vt = Vu * [1 – exp( -t/RC)] （充電公式）

當 t = RC 時，Vt = 0.63Vu；

當 t = 2RC 時，Vt = 0.86Vu；

當 t = 3RC 時，Vt = 0.95Vu；

當 t = 4RC 時，Vt = 0.98Vu；

當 t = 5RC 時，Vt = 0.99Vu；

可見，經過 3~5 個 RC 后，充電過程基本結束。

當電容充滿電后，將電源 Vu 短路，電容 C 會通過 R 放電，則任意時刻 t，電容上的電為：

Vt = Vu * exp( -t/RC) （放電公式）

t=RC*ln[(Vu-V0)/(Vu-Vt)](電容充放電時間公式)

3.1.4 驅動器內阻大小

表 1 顯示了 LKS560 驅動器靜態電器參數的典型示例

3.1.4R計算實例

表 2 顯示了 中航 065N08N 型號 MOSFET 的柵極電容在數據手冊中的典型示例。

利用 Q = C * V 關系式，我們得到柵極總電容為 C= 4.7 nF

以設計從 MCU 發出驅動信號到 LKS560 后到 MOS 導通需要在 1200ns 內導通為例，通過查表 3 得到驅動器自身會產生 700ns 的延時，死區時間 200ns, 因此驅動電路的上升沿時間需要控制在 300ns 以內。

為簡化計算，這里使用 3RC 作為驅動電路上升沿時間。則有：

3RC = 300ns

R = 100ns/4.7nf

R = 21Ω

注意這個時候得到的電阻是包含了驅動器自身內阻的總電阻。

LKS560 的等效電阻為 10Ω, 則外部串聯的電阻 Rs = 21-10 = 11Ω

選型原則：

1. Mosfet 輸出電流越大，則柵極電容越大，那么 Rs 取值要減小，反之 Rs 就要增加；

2. Rs 增加會減小驅動電流，延長驅動時間，減小 EMI 干擾，但會增加上下管直通風險，要確保沒有直通情況出現；

3. Rs 減小會加大驅動電流，減小驅動時間，但會加大 EMI 干擾，過大的 dI/dT 也會引起功率管承受的更大反電勢電壓，造成功率管損壞。

為了防止彌勒效應引動的 MOSFET 二次開通，MOSFET 的 GS 端通常要并一個電容，一般在 1nF~10nF 之間；集成預驅的電源線/地線，建議從電源端單獨供電，不能跟同網絡的其他應用電路混用以免造成干擾

審核編輯：劉清