中微-CMS32M5533-吸尘器方案

1. 概述

本方案采用极具性价比的 32 位 MCU 芯片 CMS32M5533 为主控， 为驱动算法运行、恒功率控制、PWM 调速提供保障。  具有低噪音、  低损耗、  运行平稳、  使用寿命长等技术优势，  为广大客户提供高性价比的、 稳定可靠的方案选择。  为客户提供完整方案，  包括原理图、  源程序以及应用说明。  并可提供定制服务，  更 有专业技术服务团队提供技术支持。

1.1 MCU 简介

CMS32M55xx 系列 MCU 是中微半导体基于 ARM-Cortex M0 推出的高端电机控制专用芯片。  主频高达 48MHz，  工作电压 2.1V 至 5.5V；  提供 32K Flash Memory，  8K SRAM；  多达 30 个 GPIO；  6 通道增强型 PWM 可输出死区可控的互补型 PWM；  内置采样率 100Ksps 的 12-bit 低速 ADC,  内置采样率 1.2Msps 的 12-bit 高速 ADC；  内置 2 通道高性能运算放大器，  2 通道模拟比较器，  2 通道增益可调的可编程增益放大器；  32 位硬件除法器仅需 6 个系统时钟；  通信接口方面提供 2 个 UART, 1 路 SPI, 1 路 I2C；  工业级标准设计，  可 工作在-40℃至-105℃；  集成 6N 驱动模式，  降低方案的外围元器件和 BOM 成本；  提供 IEC60730 安规认证 库，  协助客户轻松通过 CLASS B 认证; 提供 SSOP24，  QFN40 及 LQFP48 多种封装。

2. 方案特点

> 集成 12Bits 高速 ADC，  多路高性能模拟运放和可编程 PGA，  精简外围电路。

> 无感 FOC、  单电阻控制方式

>  自收敛直接闭环启动算法，  适应不同负载启动，  100%启动成功。

> 顺风启动效果优良，  启动快速平稳，  无失步，  运行平稳噪音低。

> 恒功率控制，  线性堵风口识别并保护。

> 转速控制可高达 100000+RPM

> 标准三线接口：  Vsp  （或 PWM）  、  VCC、  GND

> 具备优异的 CE、  ESD 性能，  EFT>4200V 。

3. 方案说明

3.1 典型应用原理图

图1 原理图

3.2 典型应用 PCB 图

图2 PCB图

3.3 主要单元电路说明

3.3.1 辅助电源电路  （5V 线性稳压）

图3

5V 线性稳压：输入电压经 U1(AMS1117-5.0)线性稳压产生系统需要的 5V。

3.3.2 输入母线电压检测：

图4

输入电压由 R28 和 R29 电阻分压，经 C18 滤波输入单片机进行采样来完成母线电压检测功能。

3.3.3 MCU 与预驱动

图5

CMS32M5533 是 ARM-Cortex M0 内核，  同时内置 90V 三相半桥驱动模块芯片。MCU负责整个系统的信号采集，  数据处理，  驱动输出，  逻辑功能控制。

3.3.4 反电动势采样

图6

本方案兼容方波BLDC和FOC单电阻控制，  无刷无感直流电机通过反电动势来判断转子位置，  使用MCU的内置比较器来侦测过零点之前,必须先对相电压做分压,再经过低通滤波以获得低于5V的直流电压。  而判断过零点的阈值，  则设置为该直流电压幅值的1/2。  随着电机转速与负载的不同，  该直流电压的幅值是会改变的。因此，过零点的阈值也随之在调整，这可由MCU实时采样并计算而得。

3.3.5 调速控制

图7

MCU接受到VSPM调速信号，  控制电机转速。

3.3.6 温度保护

图8

温度保护：  RT1为负温度系数热敏电阻，  R27与RT1构成分压电路，  Layout时RT1靠近功 率MOSFET放置。通过检测功率MOSFET温度变化引起的R27与RT1构成的分压电路输出的电 压变化来完成过温保护信号采样。

3.3.7 功率回路

图9

6颗功率MOSFET按CMS32M5533给出的信号轮流导通驱动电机旋转，  根据不同的MOSFET选择合适的Rg电阻。并考虑在极限工况下的耐电压耐电流参数，且留有一定的余量。

3.3.8 电流采样

图10

采用 0.005R 采样电阻取得母线电流对应的电压信号，通过单片机内置运算放大器放大 （放大倍数为 10 倍）。为了能得到准确的电流信息，增加偏置电路。偏置电压由 R21、R22、R19 分压后通过 CMS32M5533 内部运算放大器产生。

4. PCB Layout 注意事项

4.1 布局注意事项

   整体布局遵循功率回路与小信号控制回路分开布局原则，功率部份在满足铜箔载流量与温度敏感器件距离的前提下，按最小环路面积布局。

   芯片的放置方向优先考虑驱动出线，电流采样以及反电动势采样等关键信号。

   单元电路地回路按输出回输入原则走线

    Rsense 电阻尽量靠近输入 Bulk Capacitor 布局

   滤波电容抵近端口放置

    电阻分压采样下偏阻容尽量抵近检测端口放置  （特别是反电动势采样与电流采样相关）

   驱动 Rg 电阻抵近 MOSFET 放置

    NTC 温度传感器贴近热源放置

4.2 关键信号走线

   运放电流采样按差分走线，从 Rsense 焊盘中间出线，走线远离干扰源。

   运放基准地应与 MCU 为同一参考地，反电动势采样地与 MCU 为同一参考地。

   敏感弱电信号线与强电或高频信号线保持一定距离，例如： U， V，  W，相线禁止从芯片底部走线。

   辅助电源从输入 Bulk Capacitor 出线。

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吸尘器、高端电机控制等