AN135 - MPQ6526 和 MPQ6527 系列直流电机系电电入电容器建电和放电电路
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简介
对电机控制系统而言，当电机转速降低时，储存在机械系统或其他感性负载中的能量可以通过电机驱动器回收至直流电源输入轨中。因此在实际应用中，电路中需要添加足够的输入电容器来吸收这些能量。
1. 陶瓷电容器（旁路电容器）
陶瓷电容器是电源旁路电容，应为额定电压的 X5R 或 X7R 类型0.1-µF 陶瓷电容器，并尽可能靠近VIN 引脚（或 VS、VM）和PGND引脚之间连接的器件。
2. 大容量电容器
VIN 引脚上还需要连接一个大容量电容器，以吸收来自电机或电源的能量，具体大小根据应用需求而定。
本应用说明介绍了MPQ6526 和 MPQ6527 系列器件的大容量电容器建议及其放电电路设计。MPQ6526 和 MPQ6527 系列均为集成功率 MOSFET 的多半桥 DMOS 输出驱动器，可用于H 桥应用以驱动直流电机。
从负载回收机械能到输入轨
当电机转速下降或停止运转时，电机作为发电机工作，将机械能转化为电能，这些能量将主要以热量的形式消散或循环回直流输入轨，因此它需要一定的电流通路。
1. 短路电机输出
如果提供的路径将电机输出短路，则会导致电机停转。在这种情况下，能量主要以热量形式消散，包括电机绕组电阻以及电流路径中的任何电阻上产生的热量。
图1: 能量以热量形式消散（M3/M4导通）
这种短路电路通常通过导通H桥的下管MOSFET来提供电流路径。
2. 能量回流至电源
如果控制系统想要快速降低电机速度，可以打开另一对对角线H 桥或关断所有MOSFET（此时电流将流过体二极管），将施加到电机上的电流极性反转，以提供与电机运转相反的扭矩。完成此操作后，存储的能量将通过电机驱动器电路回流至电源。
从电机流出的能量有两个来源：1. 剩余电感电流换向，2. BEMF。如图 2 所示，剩余电感电流是从M1/M4 到M2/M3换向时产生的电流。当 M1/M4 关断时，电枢寄生电感中的电流不会立即消散，而是通过 M2 和 M3 的体二极管流回输入电容器。 反向 BEMF 电流在电机速度从高到低切换时产生，如果是通过降低施加到电机上的电压（通过 PWM 或输入）来降低电机速度，则与电机速度成正比的 BEMF不会立即改变，因此 BEMF 是大于施加电压的。但是，能量反转在为输入电容器充电的同时也会导致电压尖峰。
图2: 能量回流至电源
如果电源是一个性能良好的电池，那么能量会流回电池并被回收利用。但电源通常为直流电源，尤其通常还带有反极性保护二极管，因此它只能提供电流而不能回收电流，能量唯一的去处就是被Vs电源引脚上的大容量电容吸收。
存储在大容量电容器中的能量表达式为 ½ CV2 ，其中 C 是电容，V 是电压。随着能量的输入，电容器两端的电压必然不断增加。因此，VIN 引脚上需要连接一个大容量电容器，用于吸收来自电机或电源的能量，并应根据应用要求确定其大小。
如果能量过多或电容不足，电压可能会上升至超过最大电源电压限制（例如，MPQ6526 和 MPQ6527的最大电源电压限制为40V），从而损坏电机驱动器 IC 或连接到同一电源的其他电路。
电源电压纹波和放电电路
许多典型应用都采用反极性保护二极管，如图3中的D1。但这种方法存在一定的风险。在待机模式下，IC 消耗极低的电流 IVS，例如最大20 μA。电源电压的任何峰值都会逐步为隔直电容充电。D1可以防止电容器通过电源放电，而由于静态电流极低，IC 放电也可以忽略不计。 这意味着在长时间的待机模式下，IC 的电源电压可能会持续增加，直到超过最大电源电压限制，从而损坏 IC。MPQ6526 和 MPQ6527 系列器件具有的放电电路可防止此类风险。如果 VS 超过约37V的阈值，隔直电容将通过集成电阻放电，直到 VS 再次降至阈值以下。
图3: 放电电路原理图
电源引脚上的输入电容器建议
通常，我们建议在电源引脚上采用大容量电解电容器与陶瓷电容器并联。100nF 陶瓷电容器必须尽可能靠近器件放置。另外还必须在电源引脚上连接一个适当大小的大容量电容器，建议采用大于22μF 的电解电容器，具体大小则需要通过系统级测试来确定。
大容量电容器的额定电压应高于典型工作电压，并为回收能量回流到电源提供足够的裕量。
所需电解电容器的大小取决于许多因素，包括：
- 外部负载
- 反向导通电流
- 用于拉电流的电源电容
- 电源和电机系统之间的寄生电感量，它将限制电源的电流变化率。输入电容越大，电机电压越稳定，也可以更快提供更大的电流
- 最大电源电压限制和可接受的电压纹波
- 电机制动方式、输出短路制动或电流极性换向制动
如图 2 所示，回收的电能为输入电容器充电。如果直流输入轨上的电容不足，则会产生高压尖峰并可能损坏功率级。当输入轨上连接足够电容不易实现时，可以使用 OVP 电路来释放能量并限制输入轨电压。
设计总结
输入电源回收的能量可能导致电压尖峰，造成潜在的风险，因此我们有必要添加足够的输入电容来吸收这些能量。在电机驱动系统中，设计适当的大容量输入电容非常重要，其益处显而易见，但也会造成物理尺寸及成本的增加。本文帮助您了解能量如何流回电源，以及为什么需要足够的大容量电容器。确定给定系统的元件值需要进行的数学运算不在本文讨论范围之内，要了解更多相关信息，如电容和钳位元件的计算，请参考应用说明 AN132-输入电容器和过压保护电路设计.
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