• 2. TPIC2101的引脚功能与封装形式 • TPIC2101采用DIP-14（N）或者SOIC-14（D）封装，引 脚封装形式如图6.1.1所示。各个引脚功能如表6.1.1所列。
图6.1.1 TPIC2101引脚封装形式
• 3. TPIC2101的内部结构 • TPIC2101的内部结构方框图如图6.1.2所示，芯片内部包 含有自动和手动输入配置（AUTO and MAN Input Config）、睡眠、自动和手动工作逻辑（Sleep、AUTO and MAN Logic）、振荡器和斜坡电压波形发生器 （Oscillator and Voltage Ramp Waveform Generator）、 栅极驱动（Gate Drive）、能隙电源（Bandgap）等电路。
电机控制电路设计
6.1 直流电机控制电路设计
• 直流电动机是一种设计以直流电压电源工作的旋转电动机。 直流电动机有永磁直流电动机、串励和并励直流电动机。 • 1. 直流电动机的单极性和双极性驱动方式 • 直流电动机的驱动方式有单极性和双极性两种，当电动机 只需要单方向旋转时，采用单极性驱动方式。 • 单极性驱动电路如图6.1.1所示。图6.1.1（a）由模拟控制 器或微控制器的PWM信号，控制一个功率MOSFET开关 管的导通状态，在电动机两端并接一个续流二极管。功率 开关管串接在电动机下方（靠近电源地），其栅极驱动应 采用低侧栅极驱动器。如果功率开关管串接在电动机上方 （靠近电源正极），其栅极驱动应采用高侧栅极驱动器。 对于高侧开关，它的栅极驱动需要附加的电平提升电路， 所以大多采用低侧驱动方式。该种电路因电流通过续流二 极管续流，时间较长，损耗较大，典型应用在小型风机、 泵的驱动。
图6.1.6 手动控制模式电路
• 在手动控制模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信 号对应输出PWM信号的占空系数的关系曲线如图6.1.7所 示。
图6.1.7 在手动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信号对应输出PWM信号的占空比的关系曲线
• TPIC2101具有欠电压保护功能，当电压Vbat低于8V时， 芯片进入睡眠模式，输出维持低电平。当Vbat增加，到高 于电压阀值（约7V）大约1V以上，自动恢复正常。 • TPIC2101具有过电压保护功能，其门限设定在17～20V 之间，典型值为18.5V，用户不可更改。当内部检测Vbat 高于门限电压时，进入故障状态。当Vbat回降到比门限电 压低0.5～1V，自动恢复正常。
• （6）ROHM公司生产的直流电动机驱动器集成电路有驱 动一个和驱动两个电动机的两种类型。驱动一个电动机的 是一个H桥输出，输出电压可由引脚输入设定。驱动两个 电动机的采用6个开关管构成3个半桥，其中一个半桥是共 用的。 • a. 驱动一个电动机的产品，其中最大输出电流为0.5A，电 源电压为4.5～15V的有BA6208/F；最大输出电流为0.7A， 电源电压为4.5～15V的有BA6218、BA6418；最大输出 电流为1A，电源电压为4.5～15V的有BA6955N、 BA6956AN、BA6283N、BA6285FS/FP、BA6286/N、 BA6287F、BA6288FS、BA6418F；而BA6229的最大输 出电流为1.2A，电源电压为8～23V；BA6209/N的最大输 出电流为1.6A，电源电压为6～18V；BA6219B/BFP-Y的 最大输出电流为2.2A，电源电压为8～18V。 • b.驱动两个电动机的产品，其中，最大输出电流为1A，电 源电压为8～18V的有BA6246N、BA6247NFP-Y、 BA6259N；而BA6239A/AN的最大输出电流为1.2A，电源 电压为8～18V；BA6238A/AN的最大输出电流为1.6A， 电源电压为8～18V。
• （2）Allegro Microsystems公司生产的直流电动机控制集 成电路在办公自动化、工业自动化、汽车和便携式电子设 备方面得到广泛应用。其中，双全桥PWM电动机驱动器 驱动电流为±500～±750mA，电源电压为20～30V的产 品有A3965～A3968、A3967；驱动电流为±750mA，电 源电压为45V的产品有A2916、A2919、A6219；驱动电 流为±1500mA，电源电压为50V的产品有A2917、 A3948、A3955、A3957、A3972、A3974；驱动电流为 ±2000mA，电源电压为50V的产品有A3952、A3958； 驱动电流为±2500mA，电源电压为50V/30V的产品有 A3971/A3977；驱动电流为±3000mA，电源电压为50V 的产品有A3959。他们可用于微步距控制的产品有A3967、 A3973A、3955、A3957、A3972和A3977。 • 这些双全桥电动机驱动器也可用于步进电动机的控制和驱 动。
• （10）Texas Instruments和 MOTOROLA公司提供多通 道的低侧开关驱动器、高侧开关驱动器、高侧和低侧（半 桥）开关驱动器、H桥开关驱动器产品，可用于直流电动 机的驱动控制。
• 6.1.1 基于TPIC2101的直流电机速度控制电路 • 1. TPIC2101的主要技术性能与特点 • TPIC2101是Texas Instruments公司生产的控制直流电动 机的单片集成电路，输出可驱动外接N沟道MOSFET或 IGBT，利用模拟电压信号或PWM信号可调节电动机速度。 TPIC2101也可用来控制白炽灯、螺线管线圈等感性负载。 • TPIC2101有正常运转、睡眠和故障三种运行状态。在正 常运转状态，接收输入指令控制电动机转速；在睡眠状态， 栅极驱动端（GD）保持为低电平，整个芯片电流降到 200μA；在故障状态，当芯片检测到过电压、过电流等故 障后，进入保护状态。有自动和手动两种速度控制模式， 自动模式（auto mode）接收0～100%PWM信号，手动 模式（manual mode）接收0～2.2V差动电压。工作电压 范围为8～16V，驱动输出电流能力为50mA，工作环境温 度为-40～+105℃。
图6.1.2 TPIC2101内部结构方框图
• 4. TPIC2101的应用电路设计 • TPIC2101构成的直流电动PWM速度控制电路如图6.1.3所 示，TPIC2101输出GD脚接到一个NMOS开关管的栅极 （IRF530），以低侧驱动方式驱动电动机，VD1 （MBR1045）是续流二极管，外接电源电压Vbat，控制 输入端MAN和AUTO连接到外部控制电路，推荐的外接元 件数值如表6.1.2所列。
（a）低侧和高侧单极性驱动 （b）快速半桥单极性驱动 图6.1.1 直流电动机单极性驱动方式
• 为避免因续流二极管续流，带来时间较长，损耗较大的缺 点，可采用图6.1.1（b）半桥驱动电路。其中的二极管 VD1、VD2实际上是DMOS管的“体”二极管，在工艺上 与DMOS管一起自动生成。这样，不必再附加续流二极管。 半桥驱动电路可实现电动机的制动控制，当断开VF1停止 对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势 （EMF）经VF2短路，使电动机制动。此时，如果VF2不 是连续开通，而是PWM控制，可实现电动机的软制动。
• 当电动机需要正反两个方向旋转时，采用双极性驱动方式。 由四个功率开关管组成的H桥电路的双极性驱动电路如图 6.1.2所示。
图6.1.2 基本H桥电路
• 2.直流电动机控制集成电路的品种 • 各国半导体厂商生产的直流电动机控制集成电路品种繁多，现将部分 直流电动机控制集成电路的品种介绍如下： • （1）Semiconductors公司生产的直流电动机控制集成电路有 CS7054、CS4124、NCV7701、MC33030等型号。 CS7054/CS4124是驱动低侧/高侧MOSFET直流电动机PWM控制器， 电源电压为30V，输出峰值电流为0.2A/0.15A，具有“休眠”模式、 过电压和过电流保护功能，采用DIP14和SO-16L封装形式。 NCV7701是H桥驱动器，电源电压为26V，输出峰值电流为2A，具有 交叉导通、过电压保护、欠电压保护、过电流保护、正反转和制动等 功能，采用SO-20L封装形式。MC33030是直流伺服电动机H桥驱动 器，电源电压为36V，输出峰值电流为1A，具有过电压保护、过电流 保护、四象限控制等功能，采用DIP16封装形式。
图6.1.3 TPIC2101构成的直流电动机PWM速度控制电路
• 在自动控制模式（见图6.1.4），频率约为100Hz PWM控 制信号经NPN晶体管送入AUTO引脚端（集电极开路）， 经内部处理后从SPEED引脚端输出，经RC积分在INT引 脚端产生随AUTO输入的PWM信号的占空比变化的直流电 压信号，在GD端对应输出的占空比变化的PWM信号。可 以通过改变供电电压Vbat的方法，调节输出PWM信号的 占空比来保持电动机电压恒定。在自动模式，输出PWM 信号的占空比与电源电压Vbat的关系如式6.1.1所示。
• （3）ST Microelectronics公司生产的直流电动机驱动器 集成电路有L149（4A线性驱动器）、L165（3A功率运算 放大器）、L290（测速信号转换器）、L292（开关驱动 器）、L293（4通道推挽驱动器）和L298（双全桥驱动 器）。 • （4）Fairchild Semi公司生产的直流电动机驱动器集成电 路，其中，输出电流为1.6A，DIP封装的产品有FAN8082、 KA3082B（双向）、KA830IL；输出电流为1A，SSOP封 装的产品有 KA9258D、KA9259ED；FAN8082D（双向） 的输出电流为0.8A，SOIC封装。他们适合在VCR、CD播 放机和玩具中应用。 • （5）Inf ineon公司生产的直流电动机伺服驱动器集成电 路有TLE4205、TLE4205-G TLE4206-G、TLE4209。其 中TLE4205/TLE4205-G的工作电压为6～32V，最大电流 为1A，工作电流为0.6A，采用P-DIP-18-3/P-DSO-20-6封 装。TLE4206-G/TLE4209的工作电压为8～18V，最大电 流为1A，工作电流为0.8A，采用P-DSO-14-8/P-DIP-8-4 封装。他们都具有对地短路保护。