客户对更紧凑、更简单和更易用的电动产品的需求持续增长。高功率马达控制（最高 140 W）、USB PD 功能和需要很少外部组件这三者的结合一直是很难实现的事，但 Infineon 的最新产品恰恰做到了这一点。本文中，您将了解如何使用 Infineon EZ-PD™ PMG1-S3 马达控制器来控制无刷 DC 马达。
EZ-PD™ PMG1 介绍
Infineon 的 EZ-PD™ PMG1 属于高压 USB-C 供电 (PD) MCU 系列。这些芯片包括 Arm® Cortex®-M0/M0+ CPU 和 USB-C PD 控制器以及模拟和数字外设。EZ-PD™ PMG1 针对任何向高压 USB-C PD 端口供电或耗电的嵌入式系统，并利用 MCU 来提供额外的控制功能。PMG1 MCU 系列完全符合 USB PD 和 Type-C 标准。表 1 比较了 EZ-PD™ PMG1-Sx 系列中不同 MCU 的功能。
表 1：不同 EZ-PD™ PMG1-Sx 系列 MCU 的功能比较
| 子系统或范围 | 项目 | PMG1-S0 | PMG1-S1 | PMG1-S2 | PMG1-S3 |
|---|---|---|---|---|---|
| CPU 和内存子系统 | 核心 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0+ |
| 最大频率 (MHz) | 48 | 48 | 48 | 48 | |
| 闪存 (KB) | 64 | 128 | 128 | 256 | |
| SRAM (KB) | 8 | 12 | 8 | 32 | |
| 供电 | PD 端口 | 1 | 1 | 1 | 1 个端口用于 48-QFN 2 个端口用于 97-BGA |
| 角色 | 接收器 | DRP | DRP | DRP | |
| MOSFET 栅极驱动器 | 2× PFET | 2× PFET | 2× NFET | 灵活 2× NFET | |
| 故障保护 | VBUS OVP 和 UVP | VBUS OVP、UVP 和 OCP SCP 和 RCP（仅用于源配置） |
VBUS OVP、UVP 和 OCP | VBUS OVP、UVP 和 OCP SCP 和 RCP（仅用于源配置） |
|
| USB | 集成全速 USB 2.0 设备，支持公告板类别 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 电压范围 | 供电 (V) | VDDD（2.7 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.75 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.7 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.8 至 5.5） VBUS（4 至 28） |
| 输入/输出 (V) | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | |
| SCB（可配置为 I2C/UART/SPI） | 2 | 4 | 4 | 7 个用于 48-QFN（其中 5 个可配置为 SPI 和 UART） 8 个用于 97-BGA |
|
| TCPWM 模块（可配置为计时器、计数器或脉冲宽度调制器） | 4 | 2 | 4 | 7 个用于 48-QFN 8 个用于 97-BGA |
|
| 硬件认证模块（加密） | 否 | 否 | 是 (AES-128/192/256, SHA1, SHA2-224, SHA2-256, PRNG, CRC) | 是（AES-128、SHA2- 256、TRNG、矢量单元） | |
| 模拟 | ADC | 2 个 8 位 SAR | 1 个 8 位 SAR | 2 个 8 位 SAR | 2 个 8 位 SAR 1 个 12 位 SAR |
| 片上温度传感器 | 是 | 是 | 是 | 是 | |
| 直接内存访问 (DMA) | DMA | 否 | 否 | 否 | 是 |
| GPIO | 最大输入/输出数量 | 12 (10+2 OVT) | 127 (15+2 OVT) | 20 (18+2 OVT) | 26 (24+2 OVT) 用于 48-QFN 50 (48+2 OVT) 用于 97-BGA |
| 充电标准 | 充电源 | - | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2、AC、AFC 和快充 3.0 |
| 充电接收器 | BC 1.2，Apple 充电 (AC) | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | |
| ESD 保护 | ESD 保护 | 是（最大 ±8 kV 接触放电、最大 ±15 kV 空气放电、人体模型和充电器件模型） | 是（人体模型和充电器件模型） | 是（最大 ±8 kV 接触放电、最大 ±15 kV 空气放电、人体模型和充电器件模型） | 是（人体模型和充电器件模型） |
| 封装 | 封装选项 | 24-QFN（4 × 4mm，0.5mm 间距） | 40-QFN（6 × 6mm，0.5mm 间距） 42-CSP（2.63 × 3.18 mm，0.4 mm 间距） |
40-QFN（6 × 6mm，0.5mm 间距） | 48-QFN（6 × 6 mm，0.5 mm 间距） 97-BGA（6 × 6 mm、0.5 mm 和 0.65 mm 间距） |
无刷 DC 马达介绍
无刷直流 (BLDC) 马达广义上属于永磁同步马达的范畴，由永磁体制成的转子以及装有由铜线圈制成的三相绕组的定子组成。与使用碳接触电刷进行机械换向的有刷马达不同，无刷马达不需要任何电刷，因为换向是使用微控制器以电子方式处理的。由于定子和转子之间没有电接触，因此无刷马达比有刷马达有多种优势。其中一些优势是更高的效率、高扭矩和速度、更少的维护、低噪音运行以及高扭矩重量比。
虽然其他几种类型的马达都是无刷的，包括 AC 同步马达、AC 感应（异步）马达、步进马达、永磁同步马达 (PMSM)，但 BLDC 马达的主要特征是在马达旋转时产生的反 EMF（电动势）呈梯形。这主要是由于定子的绕组方式造成的。使用微控制器根据一定的顺序切换流经三相中每一相的电流，从而在定子中产生旋转磁场。包含永磁体的转子尝试通过它们之间的磁链来追逐该旋转磁场，从而在定子磁场后面旋转，这构成了无刷马达的主要工作原理。
无刷马达结构
无刷马达在物理上由两部分组成，一个是包含永磁极的转子钢芯，一个是装有三相绕组的定子钢芯，如图 1 所示。转子可以位于定子内部（内转子），也可以位于定子外部（外转子）。在任何一种情况下，转子和定子之间都不存在电接触。定子上的三相绕组可以按星形（Y 形）或三角形方式连接，如图 1 所示。这决定了马达的扭矩和速度等特性，但几乎不影响控制策略，这将在第 4 节讨论。同样，转子上的磁极对数和定子上的槽数也对产生的扭矩有一定影响。一般来说，转子上的磁极数越多，产生的扭矩就越高。图 1 显示了具有 8 个转子极（4 个极对）和 9 个定子槽的 BLDC 马达。
无刷马达驱动方案
无刷马达从三相逆变器电路获取电力，该电路产生三个相（A、B 和 C），为无刷马达绕组的三个端子（例如 A、B 和 C）供电，如图 1 所示。在 AC 驱动中，三相 AC 电压直接馈送到马达的端子。然而，对于由 DC 电源驱动的无刷直流 (BLDC) 马达，三相逆变器电路执行将直流电转换为三相电压的任务，该三相电压由微控制器以特定的顺序连续切换。该切换顺序反过来又取决于转子相对于定子的位置变化。因此，BLDC 马达通常采用位置反馈信号进行闭环运行，以确定转子的当前位置。这导致控制方案分为以下两类：有传感器控制和无传感器控制。
有传感器 BLDC 马达控制
在有传感器控制技术中，沿着转子的圆周放置一种合适类型的位置传感器，通常是霍尔效应传感器。由放置在转子上的永磁极引起的磁场相互作用在霍尔传感器的输出端子处产生相应的电压，然后由微控制器读取该电压，以确定转子围绕霍尔传感器的转变（N 到 S 或 S 到 N）。基于该转变点，相被换向。三个霍尔传感器以 60 或 120 电角度分开放置，以读取转子围绕定子运动的完整信息。有传感器控制的主要优点是，即使转子处于静止状态，转子位置也是已知的。不过，不建议在恶劣环境中使用有传感器控制方法，因为它可能会影响系统的鲁棒性。
无传感器 BLDC 马达控制
无传感器控制，顾名思义，指不使用任何传感器接口来确定转子的位置。有关转子位置的信息仅根据转子运动时在每个三相绕组上生成的反 EMF 信号而得知。定子中相绕组的性质将决定反 EMF 轮廓的形状。通常，梯形反 EMF 波形是 BLDC 马达的特征。使用无传感器控制的主要优点是由于控制策略不需要精密传感器而获得的鲁棒性特征。然而，反 EMF 的瞬时大小取决于转子速度以及所用换向技术的类型，并由以下等式给出：
푣퐵퐸푀퐹 = E x F(휃푒)
퐸 = 휔퐾푒
其中，
E 是反 EMF 的最大值
F(Θe) 是取决于所用换向技术的函数
K e 是马达的反 EMF 常数，用 mV-s/rad 表示
ω 是转子的角速度，单位为 rad/s
Θe 是转子的瞬时电角位置，单位为 rad
但是，由于当转子静止或 RPM 非常低时，反 EMF 的幅度为零或非常低而无法检测到，因此该技术存在一个主要问题，因为在这些情况下无法得知转子位置。因此，控制器必须以开环方式驱动马达，直至达到可读取反 EMF 信号电平的阈值 RPM。
应用概述
与传统 AC 感应马达和有刷 DC 马达相比，BLDC 马达应用具有众多优势，因此在电子市场上越来越受欢迎。目前许多采用 BLDC 马达运行的低功耗消费电子产品都依赖作为输入电源的固定 AC 转 DC 电源适配器。很少有其他解决方案采用 AC 马达或 AC 感应马达直接从墙壁插头获得 AC 供电。但是，考虑到 BLDC 马达的能效因素、可控性以及电子领域的快速增长，市场有转为使用 BLDC 马达的趋势。
除此之外，当前 USB 供电 (PD) 市场的增长趋势催生了对用于马达控制的 USB PD 集成解决方案的需求，因为这是许多消费电子设备的理想选择。Infineon 的 EZ-PD™ PMG1 器件属于具有 USB 供电功能的高压微控制器系列，非常适合开发此类集成解决方案。因此，本操作说明书阐述了这种使用 EZ-PD™ PMG1-S3 器件的集成单芯片解决方案，可用于控制最高 140 W USB PD 驱动的无传感器 BLDC 马达。
解决方案示例
图 2 中的框架显示的是在 EZ-PD™ PMG1-S3 器件基础上开发的集成解决方案，以支持 USB PD 驱动的无传感器 BLDC 马达控制。该解决方案的目标是使用 USB PD 电源作为通用 DC 电源，通过标准 USB Type-C 线缆提供高达 140 瓦的功率，以运行各种电动设备。除 EZ-PD™ PMG1-S3 MCU 之外，该解决方案采用最少的外部组件进行马达控制。此处，PMG1-S3 既充当 USB PD 控制器又充当 BLDC 马达控制器。BLDC 马达控制的外部接口包括三相 MOSFET 逆变器电路和栅极驱动器 ASIC，它们构成了驱动 BLDC 马达的电源电路。此外，无源电子元件构成滤波器和分压器电路的组成部分。
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