高性能逆变器驱动芯片BCS1608及其应用

0引言

BCS1608是博立码杰通讯(深圳)有限公司自主研发的一款两／三相升压逆变器，该器件器的输人为+2.5～+5.5 V电源及控制信号，可输出36V高电压两相或三相驱动电平，同时，器件还内置开关频率为500 kHz的Boost升压模块。此外，BCS1608芯片还具有待机电流低，功耗小，外围电路简单，体积小，可靠性高等优点。

1 BCS1608的主要特点

BCS1608可实现两相或三相高压输出，切换方便。其应用范围包括录像机、CD／DVD播放机、汽车音频等音像设备，PC外围设备，汽车导航系统和办公设备等。BCS1608的内部结构如图1所示。其主要特性如下：

◇直流输入电压，可直接由电池供电，无需外加变压器或有源升压开关器件；
◇输出电压交流可调，幅值最高可达36 V；
◇两种工作模式，其中两相输出相位差为90度，三相输出相位差为120度；
◇待机电流小；
◇体积小，仅为3×3 mm2，采用QFN封装。

由图1可知，BCS1608内部电路分为三大模块：升压部分、相位控制逻辑部分和逆变部分。其中升压部分采用Boost DC／DC升压电路，相位控制逻辑部分根据相位控制信号SEL和DIR可对输入时钟信号进行分频和相移，从而为逆变部分提供开关信号。
 

2 BCS1608的逆变电路

由于BCS1608要兼顾两相和三相输出，故其逆变部分采用两相三桥臂逆变电路，图2所示是其逆变电路原理图。

当负载为两相时，可选的逆变电路有三种：半桥逆变电路、双H桥逆变电路和两相三桥臂逆变电路。半桥逆变电路结构简单，仅需要四个功率变换器组成两个桥臂即可，其电路原理如图3所示。虽然它所需的功率开关器件少，成本低廉，稳定性高，但是回馈电流会使前级变频电源输出电压波动较大，且需要对称正负输出电源；而采用双H桥逆变电路则只需单路稳压电源，两相负载的电流也不再对电源形成大的干扰，直流电压利用率也比半桥电路要高，其电路如图4所示，ROHM公司的H桥驱动器BD623X即采用这种电路。但该电路的功率开关器件数量较之半桥逆变电路增加一倍，结构上也变得复杂。实际应用中，往往将图4中的中间两只桥臂合二为一，而成为公共桥臂，即图2所示的两相三桥臂全桥逆变电路，这种方式既减少了开关器件的数目，又保持了双H桥的优点。
 

当负载为三相时，由于三相半桥逆变电路与两相三桥臂逆变电路完全一致，因此，该电路可以实现两相同三相之间的灵活转换。

3 BCS1608的引脚功能和典型电路

BCS1608采用16脚QFN封装，各引脚的功能定义如下：

VBB：由DC-DC升压得到的高压电源，用于为驱动部分供电；
AGND：模拟地； [p]
DIR，SEL：控制三路驱动信号的相位，其控制方式如表1所列；

GND：数字地：
IN：输入时钟信号；
SHDN：电路使能信号，高电平有效；
FB：DC-DC输出电压反馈引脚，可设置VBB的最高电压；
VCC：输入低压电源脚；
SW：内部NMOS开关管的漏极输出；
OUT1～OUT3：三路驱动信号输出。

BCS1608的外围电路十分简单，它仅需要快恢复二极管、电感和电容各一个即可与内部电路组成Boost升压电路，两个电阻用于反馈，另一个电容用于滤波，其典型应用电路如图5所示。
 

4输出电压模式

由表1可知，BCS1608的电压输出模式分为两种：两相模式和三相模式。两相输出时，输出为输入时钟的2分频，而三相输出时为则输入时钟的3分频。利用MATLAB搭建的BCS1608内部电路逆变部分的仿真模型如图6所示，其中S函数输入为输出电压控制信号的输出电压频率，输出为六个功率开关的开关信号。该模型可根据SEL、DIR的不同值产生相应的信号，以使逆变电路输出不同相位的电压，同时，为了防止同一桥臂直通，S函数中还设置了死区时间。通过改变SEL和DIR值来对上述两种工作模式进行仿真，所得到的波形如图7所示，图中的输出相电压幅值均为36 V，频率均为20 kHz。

 
  [p]

5 BCS1608在超声电机中的应用

超声电机是一种可将压电振子在超声领域的振动能转换为机械能的电动机，它应用压电元件产生的振动来驱动移动体移动。根据超声电机的运动机理，由两相频率幅值相等且具有一定相位差的高频交变电压信号来驱动压电振子，即可使电机的转子产生旋转运动。超声电机因其低速转矩大、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁影响等优点，已在透镜精密定位、相机镜头自动聚焦系统、隧道扫描显微镜、压电夹具体、机器人、计算机和医疗设备等领域得到较为广泛应用。

超声电机虽然结构简单，但其压电元件需要高频激励。目前的驱动电源主要有三大类：一类是利用开关电源技术，由逆变来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法在国内的行波型超声电机驱动中使用比较广泛，但变压器必须与不同型号的超声电机匹配；另一类利用谐振升压产生驱动型号，这种方式虽然电路简单，体积小，但是电感参数选取比较困难；还有一类是采用正弦波型号直接放大输入超声电机，这种方法采用数字直接合成技术(DDS)，并以模拟放大电路为基础来实现，激励信号达到理论分析的要求，实现控制算法简便灵活，但电路复杂，成本较高。第三是微型超声电机，该方式主要应用在要求其驱动电源结构紧凑、可电池供电、简单易行的领域。而BCS1608则均可满足以上要求，由于其输出电压两相／三相可选，因此可作为不同型号微型超声电机的驱动电源。

本文同时选用博立码杰公司生产的、用于手机摄像头AF功能的、BM730-A1型号的超声电机，驱动电源由一块3.7 V锂电池、一片单片机和一片BCS1608及附加被动元件组成。其中超声电机既可采用两相驱动，也可采用三相驱动；驱动电压幅值要求为22 V+2 V，频率为16.78 kHz。图8为BCS1608输出线电压波形，其中当BCS1608为两相输出时，图8(a)表示超声电机正转，图8(b)表示超声电机反转；而当BCS1608为三相输出时，图8(c)表示超声电机正转，图8(d)表示超声电机反转。
 

实验证明，BCS1608可以很好地驱动超声电机，且输出波形失真小，效率高，可作为微型超声电机驱动电源的首选。

6结束语

BCS1608由于其高度集成，外围电路简单，且简化了系统设计过程，因而十分适合用于对结构要求苛刻的场合。实验结果表明：BCS1608具有很高的性能，可广泛应用于各种超声电机的驱动电源中。