开源10万转超小PCBA无刷电机驱动方案,集成预驱运放LDO,BOM超精简!

原创 芯片之家 2025-05-27 12:15

想象一下,如果我们接到任务,需要设计一个24V供电的10万转无刷无感小风机驱动的案子,我们应该怎么设计?

今天我们先直说硬件的设计选型。

传统的方案,我们会找一个通用的MCU,带高级定时器,AD采集,DMA等,其它就是常规的设计了,包括下面部分:

  • 电源转换部分,DCDC或者LDO电路,24V转12V转3.3V

  • N管驱动需要独立的预驱芯片

  • 运放,做电流的采集放大

  • 母线电压采集

  • MCU,以及反电动势采样电路

  • 逆变电路

上面就是最基本的无刷电机驱动电路了,用此电路,功能肯定都能实现,但是,每个功能模块都是独立的电路,整个方案做出来,第一是成本肯定不便宜,第二就是体积也比较大。

上面这块板子大小120*69mm,当然能更小一些,但是也不会超级小。

那有没有一种更加简洁的方案呢,比如,把这里面的很多模块都集成到一块芯片里面。

那当然,有市场需求就会促进研发更快速的升级迭代,随着很多产品对小型化无刷驱动的需求,比如智能牙刷,微型风扇,吹风筒等,相应的微型,性价比高的方案也都出来了。

那我们想想,上面这7部分电路,哪些能合并?

  • MCU肯定需要了,LDO集成在MCU,未尝不可,MCU需要的电流很小,24V供电还是可以做到的
  • 预驱部分,本来也是一块芯片,必须要安排跟MCU封在一起
  • 运放,这个也没问题,有一些MCU本身就集成运放比较器
  • 母线电压ADC采集,这个不用说了
  • 反电动势采样,就几个阻容,电路放在外面
  • MOS逆变电路,这个无法集成,也没必要

这样看下来,完整的PCBA一个MCU+逆变电路+反电动采样就行了,其它电路(高压LDO+预驱+运放)芯片内部都集成了,有没有这样的芯片方案呢?

还记得我们前几天发过的国产最小系列芯片吗?

内置预驱运放的最小电机MCU,最小USB3.0 HUB,盘点细分领域各类国产最小芯片(点击阅读)

当时就申请了个最小体积的CH32M007E8U6,3*3mm。现在也玩儿了一段时间,给大家做些分享。

CH32M007是基于青稞RISC-V内核设计的工业级电机微控制器,支持48MHz系统主频,单线调试。

内置12位模数转换ADC,采样率高达3Msps。

内置高压摆率运放OPA,支持3通道轮询,支持单电阻或双电阻电流采样方案。

可用于有感定位、ADC采样或比较器无感定位、单电阻或双电阻采样的电机方案。

CH32M007G8R6内置48V三相双N预驱和自举二极管及高压LDO,驱动逆变电路直接接MCU就可以。

这芯片确实比较全能,常规该有的都有了,专为电机控制而生。

我们看下PCB的demo,这是一个暴力风筒的方案,大小31.5 * 25.5mm,非常的小,整个板子上除了芯片,MOS之外,就只有阻容了,接上电机轻松上10万转

上面的方案为三相双N型预驱,所以需要MCU有高压侧自举电路。

还有一种PCB面积更小,成本更省方案,三相P+N型预驱。我手头这个CH32M007E8U6,PCB直径2cm都不到,尺寸严苛的方案都里绰绰有余。

也就是上管用P管,P-MOS 上管由于 Vgs 为负时导通,不需要额外自举电路,高侧驱动逻辑简单,这样芯片的成本就能再低一点。

但是,上管用P管电路是简单了,但是PMOS一个是因为载流子是空穴,远低于NMOS电子的迁移率,所以,同样的驱动电压下,开关速度响应不及NMOS。

第二个是导通电阻,同样导通能力下,PMOS 通常需要更大的 W/L(宽度/长度)比,导通电阻大。

所以这两点限制了PMOS方案,但是成本整体更低,在一些玩具,小型风扇等场合,还是够用的,我们看一下PMOS的逆变电路。

PCBA的体积也能做的更小,一个圆形的板子,用在吹风筒上,板子的直径才19mm,特别的小。

我们看下实物

PCB工程文件:

通过网盘分享的文件:LV_hairDrier_V3.0.zip

链接: https://pan.baidu.com/s/1enAQIjZYllYDGxTmFpFmHQ?pwd=tyd9 提取码: tyd9 

这期我们主要讲硬件选型设计,下一期我们再介绍软件。

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