CN112511050A - 一种有刷电机控制与保护电路及其芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有刷电机的控制和保护电路及其芯片，包括逻辑处理电路模块、电源电路模块、5V稳压电源输出电路模块、调速信号输入电路模块、温度检测电路模块、外部保护和控制信号电路模块、开关安全电路模块、延时电路模块、电流检测电路模块、驱动信号电路模块以及电压检测模块，本发明中有刷电机的控制和保护电路及其芯片可以实现保护和控制一体化，整体方案设计简洁明了，功能丰富，提高了直流有刷电机类产品的竞争力。

Description

一种有刷电机控制与保护电路及其芯片

技术领域

本发明涉及电机控制与保护电路技术领域，具体的说是一种直流有刷电机控制与保护的专用芯片及电路。

背景技术

市场上电机类产品应用范围极广，尤其是低压直流有刷电机，凭借其成本低，控制简单等优点，占有广大的市场份额，常见应用为电动工具、电动玩具车和吸尘器等，尽管直流有刷电机应用广、份额多，但却很少有专门的芯片和配套方案来同时解决控制和保护问题，目前的市场情况是保护和控制分为两个不同的地方完成，一旦出现保护和控制部件配对失误，将产生严重的安全隐患，图1为目前直流有刷电机一种常见的保护和控制方式，保护和控制分开，保护部分仅能由锂电池提供过流和欠压保护，控制部分仅由调速开关提供调速作用，无法提供更为深度的控制和保护，图2为市面上部分将保护和控制放在一起的电路方案，但仍然由三颗不同功能的芯片（一颗稳压芯片LDO，一颗软件芯片MCU，一个外置驱动芯片）来做保护和控制的作用。此电路能满足终端客户多数功能需求，但外围及其复杂，需要软件和硬件共同配合，设计难度大，设计成本和生产成本高，想要在几乎不增加设计成本，但又能提高更多保护和控制功能，就需要一款专门为直流有刷电机研发，将保护和控制合二为一的专业芯片。

发明内容

本发明的目的在于克服目前市面上现有电路方案的不足，通过一款专业芯片和电路，将直流有刷电机的控制与保护集成在一起，提供了一种外围简洁，设计简便的控制保护电路，使之在满足客户功能需求的同时，又不会增加额外的成本，为直流有刷电机的应用提供更强的竞争力，为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种有刷电机的控制和保护电路及其芯片，其包括：逻辑处理电路模块，电源电路模块，5V 稳压电源输出电路模块，调速信号输入电路模块，温度检测电路模块，外部保护和控制信号电路模块，开关安全电路模块，延时电路模块，电流检测电路模块，驱动信号电路模块，电压检测模块。

所述逻辑处理电路模块与所述芯片电源电路模块，5V 稳压电源输出电路模块，调速信号输入电路模块，温度检测电路模块，外部保护和控制信号电路模块，开关安全电路模块，延时电路模块，电流检测电路模块，驱动信号电路模块，电压检测模块都相连接。

逻辑处理电路模块，同于接收信号并处理，并将处理后的结果提供给驱动信号电路模块；

调速信号输入电路模块，通过输入电平的不同，在逻辑处理电路模块处理后，产生对应占空比的PWM方波信号波形，控制电机的转速，同时此模块还有判断重启的作用，在发生保护事件后，调速信号输入电路模块必须重新接收到 0V 电平来判断外部有重启的动作，才会重新开启，防止电机误启动造成安全隐患，软起动的判断也是根据调速信号输入电路模块的输入电平检测到 0V 至高电平的一个上升沿。

温度监测电路模块，用于判断温度是否超过高温或低于低温保护阈值，该模块接收外部 NTC 和固定电阻的分压信号，比较此电压与内部设置的高温或低温保护阈值，实现温度的保护，保护电机在合理温度区间工作，避免热损伤。

外部保护和控制信号电路模块，用于判断是否有额外强制控制或保护的信号，该模块提供一个额外的外部其他强制控制和保护的输入脚，使芯片更加灵活的与其他外部部件相互联系，也使芯片有更多的功能扩展性。

延时电路模块，用于提供逻辑处理电路模块判断保护时的延时时间，提供保护和控制的延时时间，防止误判和安全隐患，例如温度保护延时，欠压保护延时，电流保护延时，外部信号延时，重启延时，软起动时间等需要时间设置的部分，一般主要配合逻辑处理电路模块对保护和控制的处理做与时间相关的工作。

驱动信号电路模块，用于接收逻辑处理电路模块的处理结果，控制 N 型场效应管来调节转速或者关闭回路，实现回路的控制和保护功能。

开关安全电路模块，用于通过判断接收到的提供进一步的安全保护，该模块是特别设计的安全电路模块，用以防止部分应用时的误开机或无人值守时产生的安全隐患，此电路模块必须接收到一个常驻的电平信号才会通知逻辑处理电路模块正常工作，如果接收都的时一个上升沿的电平信号，那么判断开机错误，一直处于保护锁定状态，直到调速信号输入电路模块接收到重启信号为止。

电流检测电路模块，用于逻辑处理电路模块实现不同档次的电流保护，该模块是检测外部采样电阻上电压信号，并与内部的过流一保护阈值，过流二保护阈值和短路保护阈值相比较，提供对应的电流保护信号，并传递给逻辑处理电路模块来实现电流保护功能。

电压检测模块，用于检测外部供电电压的电路，与内部设定好的阈值进行比较，可以判断出当前的电量是否处于正常或欠压状态，如果检测出电压低于内部保护阈值，则会判断欠压，以此判断外部锂电池电源电压是否处于正常，提供逻辑处理电路模块对电路进行保护。

5V 稳压电源输出电路模块，通过芯片管脚将稳定参考电压提供给外部使用。

所述芯片还包括电源电路模块，用于给整个芯片内部提供电源，整个电路的电源供应由提供，常用为锂电池组，也可以是固定的直流电源，并给所述5V稳压电源输出电路模块提供稳压后的电压，所述芯片外部包括VLDO管脚、T管脚、VIN管脚、CS管脚、VC管脚、GND管脚及VOUT管脚。

基于上述技术方案，本发明提供一种有刷电机控制与保护电路，本发明的芯片为整个电路实施例的核心，通过芯片管脚与多个外部元器件相连，形成完整的电路设计，所述电路包括所述的有刷电机控制保护芯片，还包括第一滤波电阻和第一滤波电容、第二滤波电阻和第二滤波电容、第三滤波电阻、驱动电阻、偏置电阻及N型场效应管、第一限流电阻、第二限流电阻、上拉电阻、分压电阻、温度电阻、采样电阻、偏置电阻、刹车开关、续流二极管以及电机。

所述第一滤波电阻和第一滤波电容连接VDD管脚，第二滤波电阻和第二滤波电容连接VC管脚，第三滤波电阻连接CS管脚，驱动电阻、偏置电阻及N型场效应管连接VOUT管脚，所述第一限流电阻连接SW管脚，第二限流电阻连接VIN管脚，所述分压电阻和温度电阻连接T管脚，所述上拉电阻连接VLDO管脚，所述可调电阻连接PWM管脚，所述第一滤波电容和第二滤波电容还连接GND管脚。

带刹车的开关是一种常见用于主回路电源控制的开关，有两个状态，正常导通时，给电机和芯片提供正极电压，关闭时，切断正极供电回路并将电机的正负极短路，快速刹车，需要说明的是，在某些特殊应用时，并不适宜带刹车的开关，会有安全隐患，此时需要换成普通的开关（没有关闭时将电机正负极短路的部分），但此并不影响本实施例的设计。

当带刹车的开关处于导通时，芯片会通过滤波电阻和电容获得电源，启动整个芯片的功能，由于此时限流电阻一直接通在有电源供应的地方，正常情况下比芯片 VDD 管脚优先获得电压信号，芯片SW管脚就检测到一个高电压信号，属于正常开机，不会有安全隐患，如果错误开机，例如将开关先打开，再接入电池，那么芯片 VDD 和 SW 管脚将同时获得一个上升沿的电压，芯片会判断出错误开机的信号，除非 PWM 管脚能检测出到 0V 的电平信号来重新开机，否则芯片会一直处于保护状态。

所述驱动电阻和偏置电阻驱动N型场效应管，N型场效应管关闭或开启电路的保护和控制信号，所述第一滤波电容和第二滤波电容连接GND管脚，所述可调电阻上产生的分压传入到PWM管脚，PWM根据电平的高低在内部产生不同占空比的信号，PWM从0V到高电平时，芯片进入软启动功能，电机缓慢运行至需要的转速，作为电机控制的调速依据，并进一步在保护后作为判断重启的依据。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种有刷电机控制与保护电路及其芯片，通过半导体的集成设计技术，成为一颗专用的直流有刷电机的芯片，并在电源电路模块、5V稳压电源输出电路模块、调速信号输入电路模块、温度检测电路模块、外部保护和控制信号电路模块，开关安全电路模块、电流检测电路模块、驱动信号电路模块及电压检测模块分别引出芯片管脚，该直流有刷电机控制和保护芯片通过各个管脚与外部电路进行设计，可以实现保护和控制一体化，整体方案设计简洁明了，功能丰富，提高了直流有刷电机类产品的竞争力。

附图说明

图 1 为目前市面上一种常见保护和调速控制分开的电路。 图 2 为市面上功能全面但设计复杂的一种保护和控制电路。 图 3 为本发明中直流有刷电机控制与保护芯片的内部电路。 图 4 为本发明中直流有刷电机控制与保护芯片的应用电路实施例。

具体实施方式

以下将结合附图1至附图4对本发明做进一步地说明，但不应以此来限制本发明的保护范围，为了方便说明且理解本发明的技术方案，以下说明均以附图所展示为准。

实施例1：一种有刷电机的控制和保护电路及其芯片，其包括：逻辑处理电路模块301，电源电路模块302，5V 稳压电源输出电路模块303，调速信号输入电路模块304，温度检测电路模块305，外部保护和控制信号电路模块306，开关安全电路模块307，延时电路模块308，电流检测电路模块309，驱动信号电路模块310，电压检测模块311，如图 3所示，所述逻辑处理电路模块301与所述芯片电源电路模块302，5V 稳压电源输出电路模块303，调速信号输入电路模块304，温度检测电路模块305，外部保护和控制信号电路模块306，开关安全电路模块307，延时电路模块308，电流检测电路模块309，驱动信号电路模块310，电压检测模块311均相连接。

逻辑处理电路模块301，同于接收信号并处理，并将处理后的结果提供给驱动信号电路模块310。

调速信号输入电路模块304，通过输入电平的不同，在逻辑处理电路模块301处理后，产生对应占空比的PWM方波信号波形，控制电机的转速，同时此模块还有判断重启的作用，在发生保护事件后，调速信号输入电路模块304必须重新接收到 0V 电平来判断外部有重启的动作，才会重新开启，防止电机误启动造成安全隐患，软起动的判断也是根据调速信号输入电路模块304的输入电平检测到 0V 至高电平的一个上升沿。

温度检测电路模块305，用于判断温度是否超过高温或低于低温保护阈值，该模块接收外部 NTC 和固定电阻的分压信号，比较此电压与内部设置的高温或低温保护阈值，实现温度的保护，保护电机在合理温度区间工作，避免热损伤，外部保护和控制信号电路模块306，用于判断是否有额外强制控制或保护的信号，该模块提供一个额外的外部其他强制控制和保护的输入脚，使芯片更加灵活的与其他外部部件相互联系，也使芯片有更多的功能扩展性，延时电路模块308，用于提供逻辑处理电路模块301判断保护时的延时时间，提供保护和控制的延时时间，防止误判和安全隐患，例如温度保护延时，欠压保护延时，电流保护延时，外部信号延时，重启延时，软起动时间等需要时间设置的部分，一般主要配合逻辑处理电路模块301对保护和控制的处理做与时间相关的工作，驱动信号电路模块310，用于接收逻辑处理电路模块301的处理结果，控制 N 型场效应管418来调节转速或者关闭回路，实现回路的控制和保护功能，开关安全电路模块307，用于通过判断接收到的提供进一步的安全保护，该模块是特别设计的安全电路模块，用以防止部分应用时的误开机或无人值守时产生的安全隐患，此电路模块必须接收到一个常驻的电平信号才会通知逻辑处理电路模块301正常工作，如果接收都的时一个上升沿的电平信号，那么判断开机错误，一直处于保护锁定状态，直到调速信号输入电路模块304接收到重启信号为止，电流检测电路模块309，用于逻辑处理电路模块301实现不同档次的电流保护，该模块是检测外部采样电阻416上电压信号，并与内部的过流一保护阈值，过流二保护阈值和短路保护阈值相比较，提供对应的电流保护信号，并传递给逻辑处理电路模块301来实现电流保护功能，电压检测模块311，用于检测外部供电电压的电路，与内部设定好的阈值进行比较，可以判断出当前的电量是否处于正常或欠压状态，如果检测出电压低于内部保护阈值，则会判断欠压，以此判断外部锂电池组402电源电压是否处于正常，提供逻辑处理电路模块301对电路进行保护，5V 稳压电源输出电路模块303，通过芯片管脚将稳定参考电压提供给外部使用。

所述芯片还包括电源电路模块302，用于给整个芯片内部提供电源，整个电路的电源供应由提供，常用为锂电池组402，也可以是固定的直流电源，并给所述5V稳压电源输出电路模块303提供稳压后的电压。所述芯片外部包括VLDO管脚、T管脚、VIN管脚、CS管脚、VC管脚及VOUT管脚。

实施例2：基于实施例提供的一种有刷电机控制与保护电路，本发明的芯片为整个电路实施例的核心，通过芯片管脚与多个外部元器件相连，形成完整的电路设计，如图 4所示，为本发明的芯片配合外围电路设计的电路原理图实施例，为了加强对整个电路的认知，将结合此实施例详述其工作时的情况，所述电路包括所述有刷电机控制保护芯片，还包括第一滤波电阻410和第一滤波电容411、第二滤波电阻412和第二滤波电容413、第三滤波电阻415、驱动电阻414、偏置电阻417及N型场效应管418、第一限流电阻404、第二限流电阻407、上拉电阻405、分压电阻408、温度电阻409、采样电阻416、偏置电阻417、刹车开关403、续流二极管419以及电机420，所述第一滤波电阻410和第一滤波电阻411连接VDD管脚，第二滤波电阻412和第二滤波电阻413连接VC管脚，第三滤波电阻415连接CS管脚，驱动电阻414、偏置电阻417及N型场效应管418连接VOUT管脚，所述第一限流电阻404连接SW管脚，第二限流电阻407连接VIN管脚，所述分压电阻408和温度电阻409连接T管脚，所述上拉电阻405连接VLDO管脚，所述可调电阻406连接PWM管脚。

整个方案正常开机后，VLDO 管脚会有 5V 的稳压电源产生，结合外围的可调电阻406，将在可调电阻406上产生的分压传入到 PWM 管脚，PWM 将根据此电平的高低在内部产生不同占空比的信号，用于电机的调速，为了延长电机的使用寿命，PWM 从 0V 至高电平时，芯片会进入软启动功能，使电机慢慢地运行至需要的转速，而不是直接进入此转速，当有电压或电流或温度保护时，电机将停止转动，必须将 PWM的电压降到 0V，使芯片判断出重启动作后才会释放保护，经软起动后再次工作。

同理芯片 T 管脚检测分压电阻408与负温度系数的温度电阻（NTC）409 的电压分压信号，与内部的设置的高温保护阈值和低温保护阈值比较，实现温度的保护功能。

芯片VIN 管脚通过第二限流电阻407检测外部控制或保护信号，当检测到一个低电平时，即认为有外部控制和保护的需求，直接关闭驱动信号，如果外部的控制保护信号为高电平或者不需要外部控制，那么 VIN管脚将检测到被上拉电阻405上拉到的 5V 电平，电机的控制和保护就完全由芯片检测到自身控制和保护信号决定。

电机工作时，将在采样电阻416上产生电流，并产生压降，此压降信号通过滤波电阻 415 进入芯片的CS 管脚，再与内部设定的过流一保护阈值，过流二保护阈值和短路保护阈值相比较，使整个回路有电流保护的功能，避免大电流或短路造成发热严重等安全事故。

同理，电机持续工作时，VC 管脚通过第二滤波电阻412和第二滤波电容413 检测当前电压值，并与芯片内部设置的欠压保护阈值相比较，保护电路在低电压下的安全。

所有的保护和控制信号都由 VOUT 管脚通过驱动电阻414和偏置电阻417来驱动N 型场效应管418的关断与开启，实现电机的调速控制与电路的安全保护，续流二极管 419保护电机 420 在关闭瞬间产生的反向电压，配合整个电路设计使得电机 420 可以安全稳定高效的工作。

需要说明的是上述电路原理图实施例为推荐实施例，实施例中使用一颗 N 型场效应管418来实现电路的通断保护，当然也可以使用两颗、三颗甚至更多颗 N 型场效应管418并联来实现更大电流的需求，实施例中 SW管脚检测了开关安全的行为，也可以将其与VDD 管脚短路来关闭此项功能，来满足少数特殊的应用场景。

实施例中 PWM 管脚检测了可调电阻406的分压来实现电机的调速功能，也可以是外部直接提供一个 0~5V 的可变电压来实现电机的调速工作，实施例中温度保护有高温和低温两种温度，也可以通过串联一个额外的电阻来关闭高温或低温的保护。

更进一步的，实施例中应用于直流有刷电机，但也可以应用于需要控制调节和保护的应用，例如 LED光线调节，音响声音调节，电热丝热量调节等等。因此上述实施例并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (10)

1.一种有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述芯片包括逻辑处理电路模块，同于接收信号并处理，并将处理后的结果提供给驱动信号电路模块，调速信号输入电路模块，通过输入电平的不同，在逻辑处理电路模块处理后，产生对应占空比的PWM方波信号波形，温度监测电路模块，用于判断温度是否超过高温或低于低温保护阈值，外部保护和控制信号电路模块，用于判断是否有额外强制控制或保护的信号，延时电路模块，用于提供逻辑处理电路模块判断保护时的延时时间，驱动信号电路模块，用于接收逻辑处理电路模块的处理结果，控制 N 型场效应管来调节转速或者关闭回路，开关安全电路模块，用于通过判断接收的电平信号通知逻辑模块正常工作或维持保护锁定，电流检测电路模块，用于逻辑处理电路模块实现不同档次的电流保护，电压检测模块，用于检测外部供电电压的电路，与内部设定好的阈值进行比较，可以判断出当前的电量是否处于正常或欠压状态，5V 稳压电源输出电路模块，通过芯片管脚将稳定参考电压提供给外部使用，电源电路模块，用于给整个芯片内部提供电源，所述逻辑处理电路模块连接上述各个模块。

2.根据权利要求1所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述调速信号输入电路模块还用于判断重启，在发生保护事件后，调速信号输入电路模块在接受到0V电平来确定外部的重启动作。

3.根据权利要求2所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述电源模块给所述5V稳压电源输出电路模块提供稳压后的电压。

4.根据权利要求3所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述芯片外部包括VLDO管脚、T管脚、VIN管脚、CS管脚、VC管脚及VOUT管脚。

5.一种有刷电机控制与保护电路，其特征在于，所述电路包括权利要求1-4任一项所述的有刷电机控制保护芯片，还包括第一滤波电阻和第一滤波电容、第二滤波电阻和第二滤波电容、第三滤波电阻、驱动电阻、偏置电阻及N型场效应管、第一限流电阻、第二限流电阻、上拉电阻、分压电阻、温度电阻、采样电阻、偏置电阻、刹车开关、续流二极管以及电机。

6.根据权利要求5所述的有刷电机控制与保护电路，其特征在于，所述第一滤波电阻和第一滤波电容连接VDD管脚，第二滤波电阻和第二滤波电容连接VC管脚，第三滤波电阻连接CS管脚，驱动电阻、偏置电阻及N型场效应管连接VOUT管脚，所述第一限流电阻连接SW管脚，第二限流电阻连接VIN管脚，所述分压电阻和温度电阻连接T管脚，所述上拉电阻连接VLDO管脚，所述可调电阻连接PWM管脚。

7.根据权利要求5所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述驱动电阻和偏置电阻驱动N型场效应管，N型场效应管关闭或开启电路的保护和控制信号。

8.根据权利要求5所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述第一滤波电容和第二滤波电容连接GND管脚。

9.根据权利要求5所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，所述可调电阻上产生的分压传入到PWM管脚，PWM根据电平的高低在内部产生不同占空比的信号。

10.根据权利要求9所述的有刷电机控制与保护芯片，其特征在于，PWM从0V到高电平时，芯片进入软启动功能，电机缓慢运行至需要的转速。

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