引言

無刷直流（BLDC）風扇由于效率高，成本低，結構簡單，壽命長的特點，被廣泛應用于空氣循環和空氣冷卻的應用中，如PC散熱風扇，汽車座椅通風風扇。

單相BLDC電機風扇的特點：

無刷直流（BLDC）電機是一種正在快速普及的電機類型，在家用電器、汽車、消費品、醫療、工業等行業中有大量應用。

BLDC沒有電刷，使用電子換向。與有刷直流電機和感應電機相比，有以下優點：

更好的轉矩特性，高效率，使用壽命長，結構簡單，轉動噪音低，轉速范圍更高

同時相對的，BLDC控制較復雜，需要較高的芯片資源。

根據BLDC轉子繞組數量的不同，可以分為單相，兩相和三相。其中單相BLDC是汽車座椅通風風扇的主要選擇。此類電機構造制造簡單，驅動方便，成本低廉，壽命長。

快速開發單相BLDC電機風扇應用：

單相BLDC電機通常需要以下系統架構：

由于控制電路功耗較小，一般選擇高輸入電壓的LDO進行供電；電機使用H橋進行驅動；視電機轉速相關的MOS開關頻率選擇柵極驅動；在電機母線上加電流和電壓檢測，防止過流和過壓；使用霍爾器件測量電機轉速和檢測電機換向；根據產品要求外加通信接口和調速接口（PWM或電位器）；MCU需要能夠輸出2對互補PWM，ADC輸入，信號頻率占空比測量模塊，PID模塊，視產品需求選擇通信接口，通常為LIN或者CAN總線。

單相BLDC控制框圖

單相BLDC電機核心控制原理，使用兩對互補PWM控制電機正反向轉動：

Microchip作為致力于智能、互聯和安全的嵌入式控制解決方案的領先供應商，產品序列中除了MCU/MPU微處理器，還有豐富的模擬/接口/存儲產品，可以滿足客戶在不同應用的器件需求。

在單相BLDC電機應用中，電源部分Microchip有MCP1790/1和MCP1792/3系列LDO可供選擇。MCP1790/1 Vinmax 30V，Iout 70mA，適用于12V系統；MCP1792/3 Vinmax 55V，Iout 100mA，適用于24V系統；以上LDO具有高電壓、低壓差、低靜態功耗的優點，工作溫度高至150℃，并通過了AEC-Q100標準，適用于汽車應用。

Gate Driver柵極驅動部分，Microchip有高邊/低邊/半橋/H橋/三相橋驅動和專用電機驅動。在單相BLDC電機應用中常用的器件為MIC4605半橋驅動。驅動電流為1A，適用于80V電壓以下單相BLDC電機應用，同樣通過了AEC-Q100標準。此外在一些功率比較小的電機應用中，由于電機功率小轉速不高，H橋的功率器件不需要較大驅動電流，可由MCU IO直接驅動，節約成本。

OP運算放大器部分，Microchip有著豐富的運放產品，包括通用運放/零漂移運放/儀表放大器。在電機應用中，Microchip的MCP6001/2系列有著很強的通用性。1MHz的GBWP，4.5mV Vosmax，Ib 1pA，Rail To

Rail輸入輸出，SC-70/SOT-23的參數讓它適用于很多模擬信號處理應用。在擁有不錯性能的基礎上它的價格同樣不錯，因此得到了大量應用。在電機應用中如果對于電流/電壓采集要求精度不高，同時MCU集成了運放/ADC，也可考慮使用MCU內部模擬外設采集模擬信號。

通信接口部分，Microchip是CAN/LIN收發器市場的頭部半導體廠商，有著齊全的CAN/LIN總線產品。CAN總線部分，有CAN（FD）控制器，CAN（FD）收發器。其中ATA6560/1和MCP2561/2 CAN收發器分別適用于12V/24V系統；ATA6563收發器符合功能安全ASIL B；MCP2518FD CAN控制器適用于MCU 需要外擴CAN口的場合；MCP25625是市場上少見的集成了CAN收發器和控制器SPI轉CAN器件，集成度高，節約空間。LIN總線部分，有獨立LIN收發器、集成LDO/Reset/WDT/LIN 收發器，有多個型號可控選擇。其中ATA663454 符合功能安全ASIL B，適合有相關需求的汽車應用。

Microchip整體解決方案（Microchip擁有框圖中所標大部分產品）

PIC16F161x CIP介紹

PIC16F161x系列屬于Microchip中等性能8位機，擁有豐富的資源。特別是有Microchip特色的獨立于內核外設（CIP），可以通過軟件配置，自由組合內部外設，以滿足不同的應用。CIP可以減少內核干預，提升MCU性能，減少產品功耗。

Microchip 8bitMCU部分CIP模塊

PIC16F161x系列用于電機應用的關鍵外設

CWG

CWG為互補波形發生器，可與PWM模塊配合產生全橋、半橋或轉向PWM波形。當配置為全橋或半橋模式時，可輸出帶上升沿和下降沿死區控制的互補波形。適合用作H橋驅動控制。此外CWG還帶有關斷源，可由內部外設模塊如比較器輸出或外部引腳輸入控制關斷，實現自動保護功能。

CWG全橋模式框圖

SMT

SMT為信號測量定時器。是一個具有高級時鐘和門控邏輯的24位計數器，可以用來測量各種數字信號參數。例如脈沖寬度、頻率和占空比。在單相BLDC應用中可以用作測量霍爾輸入信號的頻率，計算電機轉速；還可以測量外部PWM信號的頻率和占空比，解析調速命令。

SMT框圖

Math Accelerator

Math Accelerator為數學加速器，它可以用作PID控制器。用來調節電機轉速的誤差。

Math ACC框圖

根據以上特點，開發使用外部PWM輸入占空比控制轉速的散熱風扇

PIC161x單相BLDC電機風扇方案框圖

控制邏輯

使用MCC進行快速配置

MCC（MPLAB Code Configurator）為Microchip MCU開發環境MPLABX IDE的圖形化配置工具，以插件的形式集成在IDE中。可以直觀配置外設資源，引腳定義，一鍵生成外設驅動程序。能夠簡化開發流程，免于頻繁查閱數據手冊寄存器，讓工程師進行快速軟件開發。

一些關鍵模塊配置：

CWG

Math ACC

SMT

軟件控制策略

使用兩個反饋環路。內部環路負責電機電子換向控制，外部環路負責轉速控制和校正。有轉速基準和故障檢測。

轉速基準

轉速集準由外部PWM設定。占空比決定了電機的轉速，占空比越高，電機轉速越快。

外部環路

外部環路提供電機轉速的測量和控制。控制電機轉速的目的是在不同條件下（例如母線電壓、負載需求變化、干擾和溫度漂移），將電機轉速維持在需要的值。進行必要的轉速校正，以維持需要的值，從而決定電機的實際轉速 。

內部環路

要讓轉子旋轉，必須有定子產生的旋轉磁場。單個繞組進行電勵磁，以產生旋轉磁場。要提供連續的旋轉，并防止永磁轉子與定子卡死，定子繞組上的勵磁必須按照特定方式排序，同時要知道轉子磁鐵的準確位置。轉子磁鐵位置通過使用霍爾效應傳感器來確定 。

控制策略圖

最終傳感器和驅動時序圖如下

風扇演示

使用Microchip Curiosity（DM164137）作為PWM發生器，控制風扇。

總結

PIC161x系列擁有適用于單相BLDC的CWG、Math ACC、SMT等CIP資源，使用MCC可以根據實際需求，快速完成單相BLDC電機風扇應用開發。如有PC或服務器散熱風扇，汽車空調座椅通風風扇等應用需求，可參考Microchip AN2049、AN1779等應用手冊，快速開發相關應用。

作者：Tony Zhang ABIT