BLDC驅(qū)動(dòng)必修課：為何現(xiàn)代MOSFET驅(qū)動(dòng)IC偏愛“上高下高”邏輯？

在無刷直流（BLDC）電機(jī)的控制系統(tǒng)中，6路PWM信號(hào)精準(zhǔn)控制上下橋MOSFET的開關(guān)是核心。你是否注意到，驅(qū)動(dòng)IC對(duì)PWM高低電平有效性的配置，經(jīng)歷了從“上高下低”到“上高下高”的顯著轉(zhuǎn)變？這背后不僅僅是邏輯定義的不同，更是技術(shù)與可靠性的進(jìn)化。今天，我們就來揭秘這兩種PWM配置邏輯的本質(zhì)與選擇依據(jù)。

圖：三相BLDC換相電路示意

一PWM控制基礎(chǔ)：理解“有效電平”

驅(qū)動(dòng)IC的核心任務(wù)之一，是將來自MCU的低功率PWM信號(hào)“翻譯”成足以驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極的強(qiáng)信號(hào)。關(guān)鍵點(diǎn)在于，它需要明確定義PWM信號(hào)何種電平代表開啟對(duì)應(yīng)的MOSFET。

“上高下高” (Active High for Both)：

1. 定義： 無論是上橋臂還是下橋臂MOSFET，其對(duì)應(yīng)的PWM輸入高電平代表開啟指令；低電平代表關(guān)閉指令。
2. 示意：上橋PWM: 高電平 -> 上MOS管ON? 下橋PWM: 高電平 -> 下MOS管ON? 兩者低電平 -> 對(duì)應(yīng)MOS管OFF
3. 核心要求： 絕不允許 同一相的上下橋PWM 同時(shí)為高電平，否則會(huì)造成可怕的直通短路（Shoot-Through），瞬間燒毀MOSFET！

圖：以屹晶微的EG2132為例，是典型的上高下高控制

2.“上高下低” (Active High for Top, Active Low for Bottom)：

1. 1. 定義： 上橋臂MOSFET對(duì)應(yīng)的PWM輸入，高電平代表開啟；下橋臂MOSFET對(duì)應(yīng)的PWM輸入，低電平代表開啟（相當(dāng)于“有效低”）。示意：? 上橋PWM: 高電平 -> 上MOS管ON? 下橋PWM:

低電平

1. ?-> 下MOS管ON (注意這里是低電平有效！)? 上橋低電平且下橋高電平 -> 對(duì)應(yīng)MOS管OFF核心要求： 絕不允許 同一相的PWM出現(xiàn) 上橋?yàn)楦?、下橋?yàn)榈?的組合，這也是導(dǎo)致直通短路的致命組合！

圖：以屹晶微的EG2103為例，是典型的上高下低控制

二永恒不變的鐵律：嚴(yán)防死守“直通”

無論采用哪種邏輯配置，防止同一相的上下橋MOSFET同時(shí)導(dǎo)通是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的核心死命令。這是所有驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)?，F(xiàn)代驅(qū)動(dòng)IC通常具備以下關(guān)鍵保護(hù)機(jī)制：

• 集成死區(qū)時(shí)間控制 (Integrated Dead Time)： 確保在上下橋切換的瞬間，預(yù)留一段兩者都關(guān)閉的安全時(shí)間，徹底杜絕因開關(guān)延遲導(dǎo)致的瞬態(tài)直通。高級(jí)防護(hù)電路： 針對(duì)可能引起意外導(dǎo)通的現(xiàn)象（如MOSFET關(guān)斷時(shí)柵極的電壓振鈴Ring、柵極承受過大的負(fù)壓dv/dt等），內(nèi)置防護(hù)電路，大幅提升系統(tǒng)魯棒性。

圖：以屹晶微的EG2132的真值表為例

三歷史的烙印：為何曾是“上高下低”的天下？

回顧早期BLDC驅(qū)動(dòng)方案，驅(qū)動(dòng)IC的集成度、工藝水平和內(nèi)部邏輯復(fù)雜度有限。想要在外部可靠地實(shí)現(xiàn)防止上高下低（即上橋高+下橋低）同時(shí)出現(xiàn)的直通組合，硬件邏輯上有一個(gè)“巧妙”的解決方案：使用簡(jiǎn)單的與非門電路(NAND gate)。

圖：約20年前的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，可見其復(fù)雜

“上高下低”的硬件優(yōu)勢(shì)： 對(duì)于下橋臂“低電平有效”的設(shè)計(jì)，將下橋的PWM輸入信號(hào)取反后再控制MOSFET，其邏輯恰好可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的與非門實(shí)現(xiàn)。這種方案在當(dāng)時(shí)硬件資源受限的情況下，成本低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性滿足基本要求，因此“上高下低”邏輯成為了早期驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主流選擇。

四時(shí)代的進(jìn)步：為何現(xiàn)在主流是“上高下高”？

技術(shù)的洪流滾滾向前?，F(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)IC的制造工藝、集成能力和設(shè)計(jì)復(fù)雜度已經(jīng)今非昔比。內(nèi)部的數(shù)字邏輯、高精度死區(qū)控制、先進(jìn)保護(hù)功能都高度集成化。在這種背景下，“上高下高”邏輯的優(yōu)勢(shì)被充分發(fā)揮，逐漸成為新設(shè)計(jì)的首選：

更高的抗干擾能力： “上高下低”要求MCU對(duì)下橋PWM輸出低電平作為有效開啟信號(hào)。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，低電平信號(hào)更容易受到干擾，誤觸發(fā)MOSFET開啟的風(fēng)險(xiǎn)略高。而“上高下高”的開啟都是高電平，干擾使其達(dá)到有效門檻的可能性相對(duì)較低。

更符合直覺的邏輯： “高電平開啟”對(duì)于大多數(shù)工程師來說，是更自然、更符合直覺的邏輯定義方式（比如繼電器的控制、普通GPIO點(diǎn)亮LED等）。設(shè)計(jì)理解和代碼編寫更容易，降低人為錯(cuò)誤的可能性?！吧细呦碌汀钡幕旌线壿嫞ㄉ蠘蚋哂行В聵虻陀行В﹦t需要額外的思維轉(zhuǎn)換，增加認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

上下電狀態(tài)更可靠： MCU在啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)，IO口往往處于默認(rèn)的低電平或高阻態(tài)?！吧细呦赂摺边壿嬒拢@種默認(rèn)狀態(tài)會(huì)自然地關(guān)閉所有MOSFET，帶來更高的上電安全性。而對(duì)于“上高下低”邏輯，MCU的下橋口在默認(rèn)輸出低電平（或某些配置下的狀態(tài)）時(shí)，可能就對(duì)應(yīng)于下橋MOSFET的意外開啟狀態(tài)，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)： 隨著驅(qū)動(dòng)IC集成度提高，復(fù)雜的防直通邏輯都放在了IC內(nèi)部，不需要再依賴外部的邏輯門電路。工程師只需關(guān)注“輸出高代表開啟”這一統(tǒng)一指令即可，接口設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔。

五總結(jié)：可靠性至上的選擇

驅(qū)動(dòng)IC中PWM邏輯從“上高下低”到“上高下高”的演變，清晰地展現(xiàn)了技術(shù)升級(jí)的路徑：從早期依賴外部邏輯應(yīng)對(duì)資源限制的“權(quán)宜之計(jì)”，發(fā)展到依托高度集成化IC實(shí)現(xiàn)內(nèi)在邏輯優(yōu)化和可靠性提升的“最優(yōu)解”。

現(xiàn)代“上高下高”配置憑借其優(yōu)異的抗干擾性能、符合直覺的接口、更高的上下電安全性，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)IC先進(jìn)內(nèi)建保護(hù)機(jī)制的完美契合，成為了當(dāng)今高性能、高可靠性BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選邏輯方案。

工程師小貼士： 在選用驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)新系統(tǒng)時(shí)，務(wù)必查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，明確其上下橋輸入的有效電平定義！多數(shù)現(xiàn)代芯片已默認(rèn)采用“上高下高”邏輯。了解這一趨勢(shì)，有助于你做出更符合時(shí)代、更可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策。