MOSFET-Treiber Zweichip-BLDC-Motoransteuerung für Antriebe bis 20 A /48 V

Als Anwender erwartet man bei kleinen BLDC-Motoren eine ebenso kompakte Ansteuerelektronik. Hier kann ein Mikrocontroller die Aufgaben der Kommutierung und Motorregelung durchaus übernehmen. Doch Leistung und Zuverlässigkeit des Antriebs sind maßgeblich durch Motortreiber und Analogteil bestimmt. Deshalb integriert der Treiberbaustein TMC603 wichtige Funktionen wie Schaltregler, Strommessblock und sensorlose Kommutierung, sodass in Kombination mit einem Mikrocontroller eine optimierte Zweichip-Antriebsregelung für BLDC-Motoren bis 20 A/48 V entsteht.

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Wer sich das erste Mal mit einer BLDC-Lösung beschäftigt, hat eher ein einfaches Blockschaltbild vor Augen: Mikrocontroller, Gate-Treiber und MOSFETs. Bei genauerer Überlegung kommen Aufgaben wie Strommessung, Shunt-Widerstände, Verstärker und Filter, Kurzschlussschutz, sensorlose Kommutierung und (Schalt-)Regler dazu. Will man diese Schaltungsteile konventionell aufbauen, ergibt sich ein erheblicher Aufwand hinsichtlich Kosten und Bauraum. Der Treiberbaustein TMC603 adressiert auch diese Aufgaben: Er realisiert alle Aufgaben des Antriebs, die nicht durch Software im Mikrocontroller abzudecken sind.

Immer wieder muss sich der Systemdesigner die Frage stellen, ob die Aufgabe der Motoransteuerung auf einer Hauptplatine zentralisiert realisiert werden soll oder ob ein mechatronischer Ansatz zu wählen ist, bei dem Motor und Elektronik zu einer eigenständigen Einheit zusammengefasst sind. Der dezentrale Ansatz ist oft sehr attraktiv auf den ersten Blick, scheitert jedoch leicht an den Nebenkosten für die Stromversorgung, einem zusätzlichen leistungsfähigen Controller und zu großem Bauraum bei diskreter Realisierung. Der TMC603 ist für beide Konzepte gerüstet: Er kann relativ kostengünstige Mikrocontroller zur einfachen blockkommutierten Ansteuerung eines BLDC-Motors ergänzen, unterstützt aber auch durch entsprechende Messwertaufbereitung aufwändigere sinuskommutierte Systeme.

Gründe für die Integration der Stromversorgung

Gerade eine mechatronische Lösung erfordert eine kleine und kostengünstige Stromversorgung für den Digitalteil. Wer jedoch schon einmal einen Linearregler für die Versorgung von Mikrocontroller und Interface eingesetzt hat, weiß, dass schon bei einem Betrieb mit 24 V der Spannungsregler oft ein Vielfaches der Verlustleistung der Motorendstufe verursacht und eine kleine Platine stark erwärmt. Bei 48 V ist ein Linearregler schlichtweg unmöglich. Abhilfe schafft nur der Schaltregler. Leider sind Schaltregler-ICs für hohe Versorgungsspannungen immer noch recht kostenintensiv. Dies war einer der Gründe für die Integration eines Schaltreglers in den TMC603, der neben der Versorgung des BLDC-Controllers selbst auch die Versorgung eines Mikrocontrollers samt Interface abdecken kann.

Der MOSFET als Stromsensor erspart Shunt-Widerstände

Die Kenntnis der Phasenströme bestimmt vielfach die Qualität der Motoransteuerung, z.B. bei einer Drehmomentregelung. Die Integration dieser Messung inklusive Sample & Hold und vorgeschalteten Filtern und Verstärkern ist auch hier wieder Kosten sparend: Die Verwendung von preiswerten Mikrocontrollern wird möglich. Weiterhin sind bei Verwendung des TMC603 teure Shunt-Widerstände verzichtbar, denn der MOSFET selbst kann als Sensor herangezogen werden. Das spart auch die im Shunt verheizte Leistung und steigert die Effizienz des Gesamtsystems. Zudem werden auch die klassischen Aufgaben des Predrivers erfüllt.

Kurzschlussschutz und Diagnose ohne Zusatzbauteile

Auch wenn ein Kurzschluss im System nie auftreten dürfte – es passiert doch immer wieder, beispielsweise durch Probleme bei der Montage oder schlechte Lötstellen auf der Platine. Die Vielzahl der Antriebe in neuen Anwendungen offenbart das Problem: Ist erst die Stromversorgung eines größeren Systems durch einen Kurzschluss in einer der Systembaugruppen ausgefallen, resultiert daraus eine aufwendige Fehlersuche. Daher kommt die Forderung, einen Kurzschluss der Motorzuleitungen oder einen Fehler der Leistungsbrücke detektieren zu können und adäquat darauf zu reagieren. Über die notwendige Intelligenz und Kommunikationsinfrastruktur verfügen heutige Systeme. Der TMC603 nutzt dabei die High-Side-MOSFETs gleichzeitig als Sensoren. Steigt die Spannung nach dem Einschalten dieser Transistoren nicht innerhalb einer definierten Zeit weit genug an, so wird die Brücke abgeschaltet und ein Fehler signalisiert. Der Mikrocontroller kann nun durch Probieren die fehlerhafte Brücke identifizieren und melden.

Spannungsmessung am MOSFET-Gate bringt mehr Sicherheit

Es muss sichergestellt sein, dass zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden Transistoren der Halbbrücke leitend ist – sonst kommt es zum Durchzünden und damit zur Zerstörung der Endstufe. Eine Möglichkeit besteht darin, feste Totzeiten zu definieren – angepasst an die Charakteristik der MOSFETs. Diese Funktion stellen BLDC-optimierte Mikrocontroller zur Verfügung. Die notwendige Sicherheitsmarge bringt jedoch Nachteile mit sich. TRINAMIC geht mit dem TMC603 einen anderen Weg: Die Spannung an den Gates wird tatsächlich gemessen und als Gate-Off-Signale in die interne Break-Before-Make-Schaltung zurückgeführt.

Speziell für BLDC-Antriebe vorgesehene Mikrocontroller haben PWM-Einheiten mit einstellbarer Totzeit. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen ein solcher Mikrocontroller nicht eingesetzt werden kann, weil er nicht über die weitere benötigte Peripherie wie beispielsweise einen LCD-Controller verfügt oder den Kostenrahmen sprengen würde. Auch hier hilft die Integration dieser Funktion in den BLDC-Treiber.

Sensorlose Kommutierung mit HallFX-Technik

Zur Reduktion der Störstrahlung (EMI) ist eine Begrenzung der Flankensteilheit essenziell. Verwendet man einen Serienwiderstand in der Gate-Ansteuerung, wie oft vorgeschlagen, so wird dies mit vielen modernen MOSFETs nicht funktionieren: Das Verhältnis QGD/QGS hat sich technologiebedingt verschoben und ein hoher Querstrom bei Schaltvorgängen würde resultieren. Unsaubere Schaltungstricks mit zusätzlicher Diode und weiterem Widerstand erhöhen den Schaltungsaufwand. Im TMC603 wird das erforderliche niederohmige Festhalten des Gates bereits im Predriver realisiert.

Die im Baustein TMC630 integrierte sensorlose Kommutierung bezeichnet TRINAMIC mit HallFX. Diese Emulation der sonst üblichen Hallsensoren basiert auf einer neuartigen Auswertung der Back-EMF des Motors. HallFX ist dabei so konzipiert, dass die emulierten Hall-Signale ohne Phasenversatz (der üblicherweise softwareseitig zu korrigieren ist) generiert werden.

*Bernhard Dwersteg ist R&D-Leiter bei TRINAMIC, Hamburg.

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