ETC FM5001

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FM5001(无刷直流电机控制芯片)相关资料
一.应用场合
FM5001是专门用来驱动带霍尔传感器的三相无刷直流电机进行运作的芯片。其
主要功能是驱动电机运转(包括正转和反转)
,调制电机转速,并提供一些保护功能。
FM5001的应用局限于以下场合:
8 局限于驱动带120°霍尔传感器的三相无刷直流电机。对于不带霍尔传感器的电
机,带60°霍尔传感器的电机或非三相的无刷直流电机则不适用。三相霍尔真值
表为:
i)FR=0(正转)
IN1
IN2
IN3
UH
VH
WH
UL
VL
WL
HP
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
2
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
3
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
4
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
5
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
6
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
8
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
ii)FR=1(反转)
IN1
IN2
IN3
UH
VH
WH
UL
VL
WL
HP
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
2
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
3
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
4
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
5
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
6
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
8
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
说明:
11 IN1,IN2,IN3是三个霍尔输入信号;UH,VH,WH是三个上桥驱动信号;UL,VL,
WL是三个下桥驱动信号;HP是霍尔三相合成输出端,一般不用。
12 IN1,IN2,IN3:1表示电压等于V5,0表示0V。
13 UH,VH,WH:1表示电压等于VB,0表示电压等于相应的UOUT,VOUT或WOUT。
14 UL,VL,WL:1表示电压等于V12,0表示0V。
15 HP:由于是集电极开路输出,1表示高阻输出,0表示0V。
16 局限于中小功率的无刷直流电机,额定电压不超过43V。
17 设计的原始应用对象是电动车,一般采用36V的电池。
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二.FM5001特性
用于驱动带120°霍尔传感器的三相无刷直流电机。
外接电源电压范围是15V~42V。允许和电机使用同一组电源。
芯片提供5V和12V电压源,可以作为电机里霍尔器件的电源。
上桥驱动采用内部电压泵,泵电压值是VCC+12V左右,最高可达60V。使得外
接功率MOS管可以都采用价廉的NMOS管。
6 PWM调速功能。
7 正反转控制功能。
8 提供过流保护。
9 提供欠压保护。
10 提供速度脉冲输出端,可以方便系统测速和构成速度闭环控制。
2
3
4
5
三.封装形式
采用LQFP44封装,封装图如下:
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四.引脚功能表
管脚名
GND
RFGND
RF
输入/输出
输入
输入
输入
WL
VL
UL
WOUT
VOUT
UOUT
WH
VH
UH
FR
输出
描述
接地端。
过流保护的参考地端。该端接GND。
过流保护端。该端和GND间接小电阻Rf。输出最大电流设
为I≈0.1/Rf以达到限流保护。
下桥功率FET栅驱动输出。分别接3个下桥功率FET的栅极。
输入
上桥功率FET参考地端。分别接3个上桥功率FET的源极。
输出
上桥功率FET栅驱动输出。分别接3个上桥功率FET的栅极。
输入
IN1
IN2
IN3
RES
输入
正/反转选择输入端。为防止干扰,该端应与GND间接一电
容。内置上拉电阻。
霍尔位置输入端。为防止干扰,该端应与GND间接一电容。
内置上拉电阻。
EIP
EIM
TOC
PWM
输入
输入
输出
输入
FV
RC
输出
输入
HP
CP1
CP2
LVS
V5
V12
输出
输出
输入
输入
输出
输出
输入
复位端。低复位。该端与GND间接一电容,与V5端之间接
一电阻。
积分放大器正相输入端。
积分放大器反相输入端。
积分放大器输出端(PWM波形比较端)
。
PWM振荡频率设定输入端。该端与GND间接一电容来设定振
荡频率。
速度脉冲输出。不用时悬空。
脉冲宽度设定端。该端与V5间接一电阻,与GND间接一电
容。不用时接地。
霍尔信号3相合成输出端,集电极开路输出。
电压泵电容连接端1。CP1和CP2间接电容CP。
电压泵电容连接端2。
欠压保护检测端。
5V参考电压源。该端与GND间接滤波电容。
12V参考电压源。UL,VL,WL输出使用该电源。该端与GND
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VCC
VB
输入
输出
间接滤波电容。
电源端。该端与GND间接滤波电容。
电压泵输出端。UH,VH,WH输出使用该电源。VB和VCC间
接电容VB。
五.电学特性
1 绝对最大额定值(T=25℃)
项目
符号
VCC max
电源电压1
电源电压2
VB max
VRF max
RF外加电压
VLVS max
LVS外加电压
VIN max
IN外加电压
VRES max
RES外加电压
VTOC max
TOC外加电压
VEIP max
EIP外加电压
VEIM max
EIM外加电压
VRC max
RC外加电压
VFV max
FV外加电压
VHP max
HP外加电压
条件
VCC端
VB端
IN1,IN2,IN3端
额定值
43
55
4
43
V5+0.3
V5+0.3
V5+0.3
V5+0.3
V5+0.3
V5+0.3
V5+0.3
43
2 电气特性(T=25℃,VCC=36V)
项目
符号
条件
最小
标准
最大
5V参考电压源/V5
5V输出电压 V5REG
Io=-5mA
4.3
4.8
5.3
5V电压调节 ΔV5REG1
VCC=15~40V
40
300
5V负载调节 ΔV5REG2
Io=-5~-30mA
30
150
12V参考电压源/V12
12V 输 出 电 V12REG
Io=-5mA
10.4
11.6
12.8
压
12V 电 压 调 ΔV12REG1
VCC=15~40V
140
500
节
12V 负 载 调 ΔV12REG2
Io=-5~-30mA
50
300
节
输出驱动/UH,VH,WH,UL,VL,WL(UOUT=VOUT=WOUT=18,VB=VCC外加)
输 出 H( 高 ) VOH1
UL,VL,WL
端 V12-2
V12-0.6
电平电压1
IOH=-10mA
单位
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
单位
V
mV
mV
V
mV
mV
V
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输 出 L( 低 ) VOL1
电平电压1
输 出 H( 高 ) VOH2
电平电压2
输 出 L( 低 ) VOL2
电平电压2
电压泵/VB
输出电压
VBOUT
CP1
输 出 H( 高 ) VOH(CP1)
电平电压
输 出 L( 低 ) VOL(CP1)
电平电压
HP
输出饱和电 VHPL
压
输出泄漏电 IHPleak
流
积分放大器/TOC
共模输入电 VICM
压范围
输 出 H( 高 ) VOH(TOC)
电平电压
输 出 L( 低 ) VOL(TOC)
电平电压
FV
充电电流
ICHG1
放电电流
ICHG2
RC
输 出 H( 高 ) VOH(RC)
电平电压
输 出 L( 低 ) VOL(RC)
电平电压
振荡器/PWM
输 出 H( 高 ) VOH(PWM)
电平电压
输 出 L( 低 ) VOL(PWM)
电平电压
锯齿波频率 fPWM
过流保护/RF
UL,VL,WL
IOL=10mA
UH,VH,WH
IOH=-5mA
UH,VH,WH
IOH=5mA
端
1.1
端 33
34.2
端
18.4
20
V
53
V
IO=-1mA
43
47.3
ICP1=-2mA
33.5
34.5
2
V
V
V
ICP1=2mA
1.6
2.5
V
Io=2mA
0.12
1
V
VHP=32V
5.6
100
uA
V5-2
V
Δ=0.06V
ITOC=-0.2mA
V5-1.5
ITOC=0.2mA
VFV=3V
VFV=1V
V
1.08
1.6
V
-370
0.8
-185
2
uA
mA
3.3
4.2
V
0.2
0.5
V
2.9
3.2
3.6
V
0.8
1.18
1.5
V
5
21
50
kHz
-740
0.3
外 接 R=25K , 2.5
C=2000p
外 接 R=25K , 0.05
C=2000p
C=270p
V5-0.8
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限流电压
VRF
欠压保护/LVS
工作电压
VSDL
解除电压
VSDH
滞回宽度
VIS(LVS)
复位电路/RES
H( 高 ) 电 平 VRESH
输入电压
L( 低 ) 电 平 VRESL
输入电压
霍尔输入/IN1,IN2,IN3
H( 高 ) 电 平 VIH(IN)
输入电压
L( 低 ) 电 平 VIL(IN)
输入电压
正反转选择/FR
H( 高 ) 电 平 VIH(FR)
输入电压
L( 低 ) 电 平 VIL(FR)
输入电压
静态电流
静态电流
ISB
RES=0
60
95
150
mV
3
3.2
0.1
3.43
3.7
0.27
4
4.2
0.8
V
V
V
2
V5
V
0
0.5
V
4
V5
V
0
1.5
V
3.5
V5
V
0
1
V
15
mA
6
10
六.功能描述
1.输出驱动电路
FM5001是以输出上下共用NMOS管为前提而设计的。采用对下桥UL,VL,WL的PWM
调制,通过改变输出的占空比来调整电动机驱动功率。
UH,VH,WH的输出高电平是VB电压值,输出低电平是相应的UOUT,VOUT,WOUT
的值;UL,VL,WL的输出高电平是V12的值,输出低电平是0V左右。
在三相的各个输出FET附近为防止因电路板信号相同而引发的高频振荡,要使用
大约0.1uF的电容。
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2.限流电路
限流电路的电流由公式:I=VRF/Rf(VRF≈0.1V,Rf是电流检测电阻)来决定,
也就是限制最大电流。限制动作是通过减小输出占空比来抑制电流。
通过与RF端和RFGND端间接电流检测电阻,可以正确地抑制电流。如果检测电阻
过大,也可以把检测电阻上的电压通过电阻分压,再从RF端输入。为了抑制RF端的
噪声引起的限流误动作,可以在RF端加低通滤波器。滤波电容不宜太大,否则会使
限流动作变慢。
3.PWM振荡电路
PWM时钟频率由PWM端所接电容的容量决定。
270pF的电容产生的频率约为21KHz。PWM的频率低的话,可以听到转换开关和电
动机的声音。频率高的话,会增加功耗。一般20K~50KHz为宜。
4.输出占空比控制方法
输出的占空比由PWM振荡三角波和TOC端电压相比较来决定。TOC端电压如果为
1.1V以下的话,输出占空比为0%;若电压为3.3V以上的话,输出占空比是100%。
通常,将积分放大器接为跟随器形式(EIM端和TOC端相接)
,EIP端输入控制电压
(EIP端电压变高,输出占空比增加)
。EIP端会根据RES端复位动作会产生状态变化。
将控制电压通过电阻分压后输入EIP端可使控制输入的电压活动范围变大。
下图是EIM,EIP和TOC端的等效图。EIP端需要外接一较大电阻,以确保在RESET
的时候EIP端能被有效下拉,使PWM占空比为0。
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5.电压泵电路
CP1和CP2之间接泵电容CP,VCC和VB间接维持电容CB。
充电泵电路的电压升高是由于在PWM时钟驱动下,CP1端和CP2端间电容CP上的电
荷被充到VB和VCC端间的电容CB上,使得CB的电荷积聚而产生高电压。CP和CB的容量
值必满足下面的关系:
CB≥5×CP
CP电容的充放电,是根据PWM时钟周期变化的。相对于CP电容的容量,若CB电容
的容量太小,会造成VB电压波动,甚至产生很高的过冲电压而毁坏芯片。同时决不
允许只接CP电容而不接CB电容。若CB电容的容量太大,将使VB电压变得稳定需要较
长的时间,但VB电压较稳定。CP和CB的典型值可采用CP=0.1uF,CB=2.2uF。
VCC电压若变为20V以下,VB源的电流能力急剧下降,造成VB电压下降。
由于本芯片是ESD敏感电路,为保护芯片,VB端对地要接56V的稳压管。
6.Hall(霍尔)输入信号和FR正反转选择端
霍尔输入和电机霍尔IC的输出端相接。在芯片内,它和5V电压源间接有10K左右
的上拉电阻,因此外部就没有必要再接上拉电阻了。如果霍尔IC使用12V的电源,为
了使霍尔输入的电压不超过5V,必须再附加下拉电阻或齐纳二极管等来钳制输入电
压到5V左右。
霍尔输入端提供大约0.9V的滞回幅度来增加抗干扰能力。若系统干扰比较大,可
以在霍尔输入和GND之间接一电容。
当霍尔信号的三相都是相同输入的状态时,输出将全被关断。
FR正反转选择端用来控制电机转动的方向,它和5V电压源间接有10K左右的上拉
电阻,如果悬空则默认是FR=1。FR端提供一定的滞回幅度来增加抗干扰能力。也可
在FR端和GND之间接一电容来增加抗干扰能力。
当电机在高速转动时,如果突然切换FR来改变电机旋转方向,会使电机系统产生
巨大的反电动势,可能破坏系统和芯片,因此不推荐这样做。
霍尔输入和FR正反转选择端的译码表见下表:
i)FR=0(正转)
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IN1
IN2
1
1
0
2
1
0
3
1
1
4
0
1
5
0
1
6
0
0
7
0
0
8
1
1
ii)FR=1(反转)
IN1
IN2
1
1
0
2
1
0
3
1
1
4
0
1
5
0
1
6
0
0
7
0
0
8
1
1
IN3
1
0
0
0
1
1
0
1
UH
0
0
0
1
1
0
0
0
VH
1
0
0
0
0
1
0
0
WH
0
1
1
0
0
0
0
0
UL
1
1
0
0
0
0
0
0
VL
0
0
1
1
0
0
0
0
WL
0
0
0
0
1
1
0
0
HP
1
0
1
0
1
0
0
1
IN3
1
0
0
0
1
1
0
1
UH
1
1
0
0
0
0
0
0
VH
0
0
1
1
0
0
0
0
WH
0
0
0
0
1
1
0
0
UL
0
0
0
1
1
0
0
0
VL
1
0
0
0
0
1
0
0
WL
0
1
1
0
0
0
0
0
HP
1
0
1
0
1
0
0
1
7.欠压保护电路
本电路用来检测加在LVS端上的电压。该电压在启动电压以下时,输出将全被关
断。为防止保护动作在工作电压附近不断开关循环,LVS端提供一定的滞回幅度。因
此,电压没有上升到解除电压以上则输出不会恢复。还有,处于保护动作时,RES
端电压也变成“L”。
通过电阻分压可以使检测电平升高。LVS端在芯片内部会有一个64K欧姆的等效电
阻接地。在用电阻分压时需要将这个电阻计算在内。
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若不使用保护电路,可给LVS加一个不动作电压,而不是使LVS端开路(因开路时,
输出关闭)
。
8.RES电路
为使加电时运行稳定,RES端初始时要复位。初始复位时,芯片会做下面的动作:
输出全是关断
EIP端电压为 L
FV端电压为 L
通常RES端和V5与GND间有电阻电容相接,用以设定Reset时间。
在欠压保护时,RES端会被强下拉到0。所以RES端如果要接逻辑高电平必须通过
一个限流电阻(比如5K欧姆)
。
9.RC电路和FV电路
RC端是设定FV端产生的脉冲高电平时间的输入端。RC端和V5端,GND之间有电阻
和电容相接,以设定FV端脉冲的幅度。
FV端输出一个脉冲信号。其频率和3个霍尔信号的变化成正比,高电平时间和RC
端外接RC成正比。这可以用来测定电机的转速,外接F-V转换器后去控制PWM速度设
定电压的话可以构成速度负反馈。如果RC时间设的太长的话会使FV端占空比超过
100%而不能输出脉冲信号。
不使用FV输出时,RC端接GND,FV端开路。
10.霍尔真值表
i)FR=0(正转)
IN1
IN2
1
1
0
2
1
0
3
1
1
4
0
1
5
0
1
6
0
0
7
0
0
8
1
1
IN3
1
0
0
0
1
1
0
1
UH
0
0
0
1
1
0
0
0
VH
1
0
0
0
0
1
0
0
WH
0
1
1
0
0
0
0
0
UL
1
1
0
0
0
0
0
0
VL
0
0
1
1
0
0
0
0
WL
0
0
0
0
1
1
0
0
HP
1
0
1
0
1
0
0
1
上海毅钧商贸有限公司 地址:上海市小木桥路518弄2号1903室 www.ic108.cn 电话:021-54961838 28716956 传真:021-64035806
深圳办事处:深圳市福田区彩田南路彩天名苑红荔轩9B www.ic108.com 电话:0755-25314758 13714567276 传真:0755-82942279
ii)FR=1(反转)
IN1
IN2
IN3
UH
VH
WH
UL
VL
WL
HP
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
2
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
3
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
4
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
5
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
6
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
8
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
说明:
38 IN1,IN2,IN3是三个霍尔输入信号;UH,VH,WH是三个上桥驱动信号;UL,VL,
WL是三个下桥驱动信号;HP是霍尔三相合成输出端,一般不用。
39 IN1,IN2,IN3:1表示电压等于V5,0表示0V。
40 UH,VH,WH:1表示电压等于VB,0表示电压等于相应的UOUT,VOUT或WOUT。
41 UL,VL,WL:1表示电压等于V12,0表示0V。
42 HP:由于是集电极开路输出,1表示高阻输出,0表示0V。
七.典型应用
FM5001主要是为采用直流无刷电机的电动车设计的。同时也可以应用于其他最
高电源电压不超过43V的直流无刷电机的驱动。
下面列出了FM5001的典型开环应用的线路图:
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八.使用注意
5
6
FM5001提供正/反转选择,但使用的时候不推荐在电机转速较快的时候突然切换
旋转方向。这可能让电机产生很大的反电动势,破坏系统或芯片。
FM5001对静电放电(ESD)相当敏感,在焊接时请注意采取防静电措施;另外为
增加芯片在系统中对ESD的防护能力,必须采取以下措施:
1) VB对地接56V的稳压管(例如IN4758),2) 稳压管P端尽可能靠近芯片的
地,3) N端尽可能靠近芯片的VB端;VB和VCC间需接电压泵维持电容,4)
该电容不5)
能小于1uF,6)
建议大于2.2uF。
7) V12对地接15V~22V的稳压管,8) 稳压管P端尽可能靠近芯片的地,9)
N端尽可能靠近芯片的V12端。V12对地要接滤波电容,10) 建 议 大 于
10uF。