目前市面上高端的电动工具都采用直流无刷电机来提升产品的性能、功率和使用寿命。
本文将通过分享第一款高端直流无刷电动工具中的电机驱动控制设计经验，从而分析直流无刷电机驱动电路以及元件设计参数。
1 分享主题：直流无刷电机驱动电路设计经验
2 终端产品：高端直流无刷电动工具
3 产品主要参数
3.1 20V/5AH锂电池供电
3.2 600W直流无刷电机，转速27000rpm
4 直流无刷电机驱动设计方案
4.1 单片机（Micro-Controller）输出三对（六路）互补的PWM信号至驱动芯片
4.2 三个半桥驱动芯片分别驱动U、V、W三相的MOSFET
4.3 采用三相全桥拓扑结构，六颗贴片的的MOSFET驱动电机
4.4 三颗霍尔传感器检测电机转子位置及方向，同时支持无霍尔传感器方案
4.5 直流无刷电机驱动结构简图如下
5 关键驱动电路及元件参数
5.1 MOSFET栅极驱动（gate driver）电路
5.1.1 MOSFET栅极驱动（gate driver）电路如下
5.1.2 采用MPS公司的三颗半桥驱动芯片 – MP1907
直流无刷电机驱动设计中，MOSFET的门极驱动芯片非常重要，尤其是在严苛的工业级产品应用中。
由于在之前的电机驱动电路设计中使用过MPS公司其他的半桥和全桥驱动芯片，性能非常优越，所以经过参数比较和demo验证，选择MP1907作为此产品的半桥驱动芯片。
5.1.3 MP1907功能描述
5.1.3.1 MP1907是一款集成了半桥N沟道的功率 MOSFET 驱动器，电压最高100V，输出的驱动电流最高2.5A。
5.1.3.2 MP1907的低端和高端驱动通道可以分别独立控制，并且匹配时间延迟小于5ns。
5.1.3.3 MP1907的高低两端驱动电压的欠压锁定保护（UVLO）在供电不足时强制低输出，检测到输入上升沿时两端恢复正常输出。
5.1.3.4 MP1907集成了自举二极管，可以减少外部元器件
5.1.4 MP1907引脚定义
5.1.4.1 Pin 1: VDD, 芯片电压输入
5.1.4.2 Pin 2: NC, 空置
5.1.4.3 Pin 3: BST, 自举引脚，需要在BST和SW之间接一个电容
5.1.4.4 Pin 4: DRVH, 高端驱动输出引脚，用于驱动上桥的N沟道MOSFET
5.1.4.5 Pin 5: SW, 开关节点，如上所提，SW跟BST之间接一个MLCC电容
5.1.4.6 Pin 6: EN, 芯片的使能引脚
5.1.4.7 Pin 7: INH, 高端驱动的逻辑控制输入信号
5.1.4.8 Pin 8: INL, 低端驱动的逻辑控制输入信号
5.1.4.9 Pin 9: VSS, 芯片的GND
5.1.4.10 Pin 10: DRVL, 低端驱动输出引脚，用于驱动下桥的N沟道MOSFET
5.1.4.11 Exposed Pad, 这个引脚接到GND，并且大面积铺铜用来散热
5.1.5 MP1907的等效内部电路
通过MP1907的内部等效电路以及引脚定义，更容易理解芯片的功能以及在产品中的电路设计。
5.1.6 MP1907典型应用电路
通过MP1907的内部等效电路和典型应用电路可知，MP1907集成度高且应用电路简单，内部集成了charge pump电路的bootstrap二极管(用于上桥MOSFET栅极驱动)，只需要外部接一个电容（常用MLCC）即可
5.1.7 MP1907主要参数如下：
5.1.7.1 VBST_MAX = 100V，产品采用的是20V的锂电池包供电，所以耐压足够
5.1.7.2 Peak pull-up current = 2.5A, MOSFET导通是米勒电容（输入电容）充电的过程，由Q=I * t得知，驱动电流会影响到MOSFET导通的速度
5.1.7.3 TMON = 1ns, TMOFF = 1ns, MP1907内置的死区时间可以保证产品在极端应用情况下避免上下桥同时导通，从而损坏MOSFET，当然MCU内部也需要适当的增加死区时间
5.1.7.4 TDLFF = 20ns , TDLRR = 20ns，TDHFF = 20ns，TDHRR = 18ns，快速且精确的上升/下降以及开启/关闭时间，可以保证MOSFET的精确控制时序
MP1907的时序图如下
5.1.8 MP1907的封装结构
电机驱动器设计中，芯片在高频率的工作中（开关信号），芯片的引脚也会形成寄生电感，所以选择芯片时需要尽量选择贴片封装。
MP1907采用的是贴片的QFN10 （3mm x 3mm）封装，极大的降低了芯片引脚导致的寄生电感，芯片图片如下
5.2 三相全桥拓扑结构
5.2.1 三相全桥拓扑驱动直流无刷电机
5.2.2 三相全桥电路分析
5.2.2.1 采用六颗N沟道的MOSFET，主要参数如下：
5.2.2.1.1 VDS = 40V，产品采用的是20V的锂电池包供电，所以MOSFET的VDS耐压足够
5.2.2.1.2 RDS(on),max = 1.4毫欧，导通阻抗低，可以降低导通损耗以及温升并且提升效率和工具使用时间（续航能力强）
5.2.2.1.3 ID = 100A，在电机启动瞬间，由于没有反向电动势产生，以及电机堵转或者负载过大时，会有大电流产生，所以MOSFET的最大导通电流很重要
5.2.2.1.4 封装：PG-TDSON-8 ，采用贴片封装可以降低MOSFET高频开关下引脚的寄生感抗
5.2.2.2 MOSFET在高频开关下，引脚和PCB的铜箔会产生寄生电感L，加上MOSFET的米勒电容C，会形成震荡。所以串联100欧姆的栅极电阻可以提供一个阻尼，从而吸收振荡信号，避免损坏MOSFET
5.2.2.3 为了避免上桥和下桥同时导通从而形成MOSFET短路损坏，所以需要上管关闭时速度要快。所以在100欧姆的栅极电阻上并联22欧姆的电阻来提升上桥MOSFET的关断速度。用快速导通二极管同22欧姆电阻串联，实现MOSFET导通时通过100欧姆电阻，关断时通过22欧姆电阻。
5.3 霍尔传感器检测
5.3.1 采用三颗霍尔传感器检测电机转子的位置和方向，霍尔传感器的电路比较简单，如下图
5.3.2 霍尔传感器主要是由霍尔元件和信号处理电路构成，如下图
5.4 三相全桥拓扑电路主要设计细节
5.4.1 互补PWM死区时间：当下桥臂的功率管由导通到关断时，上桥臂的功率管延时一段时间再由关断到导通，以防止桥臂直通，这个延时时间也称为：死区时间，死区时间可以通过单片机程序调整。死区时间和单片机的PWM控制信号配置简图如下
5.4.2 电机换相：通过霍尔传感器输出的二进制编码控制6个功率管的导通，由软件编程实现，也可由逻辑电路实现。霍尔信号、换相时序和对应的相电流如下
6 直流无刷电机驱动波形
6.1 理想的相电压和霍尔传感器波形
6.2 测试的单相电压波形如下
6.3 测试的相电压和相电流波形如下 - 重负载测试
6.4 测试的三相相电压波形如下
6.5 霍尔信号和反向电动势的理论波形和实际测试波形如下
7 PCB layout中降低寄生参数导致的电磁干扰信号
7.1 栅极驱动芯片MP1907为下图的U202
7.2 芯片电源引脚的电容应尽量靠近芯片，这样的话可以降低电流回路，电容最大化的滤除电源噪声并且降低电磁干扰信号，如下图C212, C213
7.3 栅极驱动芯片的bootstrap电容也应尽量靠近芯片，这个电容在layout时非常重要，一定要离芯片近，否则PCB的寄生感抗会同电容形成振荡，如下图C215
7.4 控制信号和驱动信号以及电流采集信号应尽量远离，以免相互干扰，不同信号之间的隔离很多时候就是通过PCB layout实现的。
7.5 如下图，UH, UL为PWM控制信号，UHD, ULD为上下桥的PWM驱动信号，PHASEU为U相上下桥的中间节点U
8 散热处理
电机驱动设计中，散热处理是不可忽视的问题，尤其是在有限的电路板尺寸以及狭小的产品空间内（电动工具内部空间有限），实现散热最大化。
以下为常用方法，并且在本产品中应用
8.1 MOSFET增加散热片，并且利用导热率高的导热硅黏贴MOSFET和散热片
8.2 PCB 走线加粗，并且增加铺铜面积，利用铜箔进行散热
8.3 增加多个热过孔（开窗通孔），利用电路板的其他层辅助散热
此电机驱动器的PCB 3D部分图片如下，右边白色为散热片，通过导热硅胶黏贴在了MOSFET表面，帮助MOSFET快速散热。
左边芯片为三颗半桥驱动芯片MP1907，右边为三颗大功率的贴片MOSFET，另外三颗MOSFET在电路板的另一面
电路板正面3D图片
电路板反面3D图片
9 MP1907和电路板实物图
9.1 MP1907的丝印规格 - ADE
9.2 MP1907的封装尺寸规格
9.3 MP1907的实物丝印 - ADEE
9.4 电机驱动部分的电路板实物图 – 通过了严苛的工业级别产品测试
左边是MOSFET的驱动电路MP1907，右边是MOSFET，MOSFET上面贴的是散热片 (3D图的侧视图可以看到散热片下面的MOSFET)
电路板的完整实物图
10 参考方案
本产品的设计也是参考了MPS的官方demo：EV1907-Q-00A。
这个评估板虽然配置为降压转换电路，但是电路设计原理跟半桥驱动的原理一样。在评估版中，INH 和 INL 是2个相互独立的信号。在单片机程序中仅需向评估板输出 PWM 信号，便可生成带合适死区时间的 INH 和 INL 信号
10.1 评估板电路图
评估板的电路设计中，就是利用MP1907驱动一个半桥拓扑结构，跟设计产品设计的设计原理一样。
实际产品电路设计中采用了同样的三个半桥拓扑搭建了三相全桥拓扑结构来驱动直流无刷电机
10.2 评估板PCB layout
10.3 评估板实物图
通过评估板的实物，可以更切实的测试一些关键信号，并且对于产品设计也有更直观的参考价值