设计电机驱动系统面临哪些挑战？如何去应对？

在电机驱动的楼宇自动化和电网基础设施应用（例如智能电表、智能锁、互联网协议(IP)网络摄像头和可视门铃）中，有多种设计低压系统的方法。

为这些应用设计电机驱动系统时，常见的挑战包括：满足持久、弹性和安全的电机运行需求；不断缩小的印刷电路板(PCB)空间；以及满足各种系统要求。在考虑电机驱动器电流消耗时，需要特别关注：集成电路(IC)和必要的元件板尺寸；设计简化、灵活性和可扩展性，以满足多种平台类型的需求。

降低功耗

对于智能锁、可视门铃、煤气表和水表等电池供电和电机驱动的系统，设计的一个重点在于通过在不主动驱动电机时保持低电流消耗来降低整体功耗，使得消费者不必经常更换电池。

下面我们将使用如下器件来比较两种在不驱动电机时降低H桥功耗的方法：

· 电池和电机驱动电路之间的离散负载开关，用于连接或移除电源；

· TI的DRV8210 等器件，具有专用的低功耗睡眠模式，其典型睡眠电流为37nA。

与第一种器件相比，第二种器件减少了多达50%的PCB空间，并在连接H桥电源时去除了功耗元件。请参阅图2。

图2：(a) 使用外部截断开关、具有低功耗睡眠功能的H桥的简单实现；(b)有自动睡眠模式的TI DRV8210

减小PCB和电机驱动子系统尺寸

现代智能电表和其他低压电机驱动应用变得越来越先进，集成了传感、无线和有线通信、电源管理和许多其他模块，如图3所示。

图3：旋转式水表的参考设计

这些模块的数量众多，这意味着必须确保诸如电机驱动器和周围元件之类的子系统使用尽可能少的PCB空间。图4示出了一种常用的离散H桥实现，用于驱动低压有刷直流电机。然而，该H桥不具备一些必要的功能，如过流保护、欠压锁定、热关断和死区时间控制，这需要额外的固件和硬件方面的工作。

图4：H桥和基础周围电路的离散实现；PCB面积为16mm x 25mm或400mm2

与离散实现相比，DRV8220等电机驱动器（其封装规格为4mm2或1.92mm2）可将PCB空间减少93%或以上，如图5所示。此外，包括DRV8220在内的所有TI有刷直流电机驱动器都提供集成的死区时间控制和针对过热、欠压锁定和过流事件的保护功能，从而减少了对额外元件的需求，进一步减小了PCB空间。

图5：DRV8220DSG集成电机驱动器布局；PCB面积为4.5mm x 4.4mm，或19.8mm2

设计灵活性、简化、可重用性和可扩展性

楼宇自动化、电网基础设施和个人电子产品中的许多应用程序都有多个具有不同系统要求的平台。以设计皂液器、自动马桶、纸巾分配器和类似应用的智能卫生设备公司为例，如图6所示。这些应用需要不同类型的自动化负载：用于分配阀的双向有刷直流电机、用于冲洗定量阀的锁上螺线管和用于纸巾分配的单向有刷直流电机。

理想情况下，你可以针对所有这些场景使用灵活的解决方案，但这通常需要花费大量时间和精力来寻找在电压和电流范围内支持引脚兼容的离散元件或IC。实现这种简化、可扩展性和接口灵活性能够使用相同或相似驱动器驱动不同电机、继电器、螺线管和其他类型负载。此外，还考虑到了设计的可重用性，从而大大缩短上市时间。有关DRV8210电机驱动器系列如何帮助实现这些优势的更多详细信息，请参阅DRV8210数据表的第9节。

如本文所述，楼宇自动化和电网基础设施应用中的众多低压和电池供电平台要求电机驱动器具有灵活、可扩展和易于设计的特点。同时，这些电机驱动系统必须提供强大的低功耗睡眠模式，以最大限度地延长电池运行时间，并且只占用PCB一小部分面积，以便为其它系统元件留出足够的空间。

责任编辑：lq6