中微-CMS32M5533-吸塵器方案

1. 概述

本方案采用極具性價比的 32 位 MCU 芯片 CMS32M5533 為主控， 為驅動算法運行、恒功率控制、PWM 調速提供保障。  具有低噪音、  低損耗、  運行平穩、  使用壽命長等技術優勢，  為廣大客戶提供高性價比的、 穩定可靠的方案選擇。  為客戶提供完整方案，  包括原理圖、  源程序以及應用說明。  并可提供定制服務，  更 有專業技術服務團隊提供技術支持。

1.1 MCU 簡介

CMS32M55xx 系列 MCU 是中微半導體基于 ARM-Cortex M0 推出的高端電機控制專用芯片。  主頻高達 48MHz，  工作電壓 2.1V 至 5.5V；  提供 32K Flash Memory，  8K SRAM；  多達 30 個 GPIO；  6 通道增強型 PWM 可輸出死區可控的互補型 PWM；  內置采樣率 100Ksps 的 12-bit 低速 ADC,  內置采樣率 1.2Msps 的 12-bit 高速 ADC；  內置 2 通道高性能運算放大器，  2 通道模擬比較器，  2 通道增益可調的可編程增益放大器；  32 位硬件除法器僅需 6 個系統時鐘；  通信接口方面提供 2 個 UART, 1 路 SPI, 1 路 I2C；  工業級標準設計，  可 工作在-40℃至-105℃；  集成 6N 驅動模式，  降低方案的外圍元器件和 BOM 成本；  提供 IEC60730 安規認證 庫，  協助客戶輕松通過 CLASS B 認證; 提供 SSOP24，  QFN40 及 LQFP48 多種封裝。

2. 方案特點

> 集成 12Bits 高速 ADC，  多路高性能模擬運放和可編程 PGA，  精簡外圍電路。

> 無感 FOC、  單電阻控制方式

>  自收斂直接閉環啟動算法，  適應不同負載啟動，  100%啟動成功。

> 順風啟動效果優良，  啟動快速平穩，  無失步，  運行平穩噪音低。

> 恒功率控制，  線性堵風口識別并保護。

> 轉速控制可高達 100000+RPM

> 標準三線接口：  Vsp  （或 PWM）  、  VCC、  GND

> 具備優異的 CE、  ESD 性能，  EFT>4200V 。

3. 方案說明

3.1 典型應用原理圖

圖1 原理圖

3.2 典型應用 PCB 圖

圖2 PCB圖

3.3 主要單元電路說明

3.3.1 輔助電源電路  （5V 線性穩壓）

圖3

5V 線性穩壓：輸入電壓經 U1(AMS1117-5.0)線性穩壓產生系統需要的 5V。

3.3.2 輸入母線電壓檢測：

圖4

輸入電壓由 R28 和 R29 電阻分壓，經 C18 濾波輸入單片機進行采樣來完成母線電壓檢測功能。

3.3.3 MCU 與預驅動

圖5

CMS32M5533 是 ARM-Cortex M0 內核，  同時內置 90V 三相半橋驅動模塊芯片。MCU負責整個系統的信號采集，  數據處理，  驅動輸出，  邏輯功能控制。

3.3.4 反電動勢采樣

圖6

本方案兼容方波BLDC和FOC單電阻控制，  無刷無感直流電機通過反電動勢來判斷轉子位置，  使用MCU的內置比較器來偵測過零點之前,必須先對相電壓做分壓,再經過低通濾波以獲得低于5V的直流電壓。  而判斷過零點的閾值，  則設置為該直流電壓幅值的1/2。  隨著電機轉速與負載的不同，  該直流電壓的幅值是會改變的。因此，過零點的閾值也隨之在調整，這可由MCU實時采樣并計算而得。

3.3.5 調速控制

圖7

MCU接受到VSPM調速信號，  控制電機轉速。

3.3.6 溫度保護

圖8

溫度保護：  RT1為負溫度系數熱敏電阻，  R27與RT1構成分壓電路，  Layout時RT1靠近功 率MOSFET放置。通過檢測功率MOSFET溫度變化引起的R27與RT1構成的分壓電路輸出的電 壓變化來完成過溫保護信號采樣。

3.3.7 功率回路

圖9

6顆功率MOSFET按CMS32M5533給出的信號輪流導通驅動電機旋轉，  根據不同的MOSFET選擇合適的Rg電阻。并考慮在極限工況下的耐電壓耐電流參數，且留有一定的余量。

3.3.8 電流采樣

圖10

采用 0.005R 采樣電阻取得母線電流對應的電壓信號，通過單片機內置運算放大器放大 （放大倍數為 10 倍）。為了能得到準確的電流信息，增加偏置電路。偏置電壓由 R21、R22、R19 分壓后通過 CMS32M5533 內部運算放大器產生。

4. PCB Layout 注意事項

4.1 布局注意事項

   整體布局遵循功率回路與小信號控制回路分開布局原則，功率部份在滿足銅箔載流量與溫度敏感器件距離的前提下，按最小環路面積布局。

   芯片的放置方向優先考慮驅動出線，電流采樣以及反電動勢采樣等關鍵信號。

   單元電路地回路按輸出回輸入原則走線

    Rsense 電阻盡量靠近輸入 Bulk Capacitor 布局

   濾波電容抵近端口放置

    電阻分壓采樣下偏阻容盡量抵近檢測端口放置  （特別是反電動勢采樣與電流采樣相關）

   驅動 Rg 電阻抵近 MOSFET 放置

    NTC 溫度傳感器貼近熱源放置

4.2 關鍵信號走線

   運放電流采樣按差分走線，從 Rsense 焊盤中間出線，走線遠離干擾源。

   運放基準地應與 MCU 為同一參考地，反電動勢采樣地與 MCU 為同一參考地。

   敏感弱電信號線與強電或高頻信號線保持一定距離，例如： U， V，  W，相線禁止從芯片底部走線。

   輔助電源從輸入 Bulk Capacitor 出線。

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吸塵器、高端電機控制等