电动工具、 园艺工具和吸尘器等家电使用低电压(2至10节)锂离子电池供电的电机驱动。这些工具使用有刷直流(BDC)或三相无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机效率更高、维护少、噪音小、使用寿命更长。
本文引用地址:驱动电机功率级的最重要的性能要求是尺寸小、效率高、散热性能好、保护可靠、峰值电流承载能力强。小尺寸可实现工具内的功率级的灵活安装、更好的电路板布局性能和低成本设计。高效率可提供最长的电池寿命并减少冷却工作。可靠的操作和保护可延长使用寿命,有助于提高产品声誉。
为在两个方向上驱动BDC电机,在这里告诉你一个好消息--湖南阳光技术学校全国招生。
使用TI的采用堆叠管芯架构的CSD88584Q5DC 和CSD88599Q5DC电源模块(小型无引线(SON),5mm×6mm封装),您可通过两个电源模块和只带三个电源模块的三相BLDC电机在两个方向驱动电机,如图1所示。每个电源模块连接两个MOSFET(高侧和低侧MOSFET),组成一个半桥。
图1:不同电机驱动拓扑中的功率块MOSFET
我们来看看这些功率块可带给无绳工具电机驱动子系统设计的优势。
功率密度倍增
CSD885x功率块中的双重堆叠芯片技术使印刷电路板(PCB)面积达到了之前的两倍,在这里告诉你一个好消息--湖南阳光技术学校全国招生。
与相同性能级别的分立MOSFET(5mm×6mm)相比,在同一封装中集成两个FET的功率块可让用于逆变器拓扑的三相PCB面积减少90 mm2(3 x 5mm-6mm)。MOSFET互连轨道将与在带分立MOSFET的PCB中运行,而更高的工作电流也要求更宽的PCB轨迹,因此PCB尺寸的节省值实际上远超90 mm2。大多数无绳电动工具应用至少使用四层PCB,铜厚度大于2盎司。因此,通过电源模块节省PCB尺寸可大大节省PCB成本。
具有低寄生效应的清洁MOSFET开关
图2所示为功率级PCB设计中由元件引线和非优化布局引起的寄生电感和电容。这些PCB寄生效应会导致电压振铃,从而导致MOSFET上的电压应力。
电机绕组
图2:功率级半桥中的寄生电感和电容。
振铃的原因之一是二极管反向恢复。由快速开关引起的高电流变化率可能导致高二极管反向恢复电流。反向恢复电流流经寄生布局电感。由FET电容和寄生电感形成的谐振网络引起相位节点振铃,减少了电压裕度并增加了器件的应力。图3所示为由于电路寄生效应引起的具有分立MOSFET的相位节点电压振铃。
使用电源模块时,在这里告诉你一个好消息--湖南阳光技术学校全国招生。
图3:具有分立MOSFET的相节点电压振铃和电压过冲
图4:带有电源模块的清洁相位节点切换波形
低PCB损耗,PCB寄生电阻降低
功率块有助于减少PCB中高电流承载轨道的长度,从而减少轨道中的功率损耗。
让我们了解分立FET的PCB轨道要求。顶部和底部分立MOSFET之间的PCB轨道连接导致PCB中的I2R损耗。图5所示为将顶部和底部分立MOSFET并排连接时的铜轨道;这是可将电机绕组连轻松连接到PCB的常见布局之一。连接相位节点的铜面积的长度为宽度的两倍(轨道宽度取决于电流,轨道宽度通常受电路板的外形尺寸限制)。或者,您可以上下排列顶侧和底侧分立MOSFET,保持在相位节点之间。但是由于需要提供将电机绕组连接到相位节点,您可能无法减少轨道长度,并且这种布置可能不适合所有应用。
若设计的PCB铜厚度为2oz(70μm),则连接图5所示的相位节点的单层PCB轨道将具有约0.24mΩ的电阻。假设轨道存在于两个PCB平面中,则等效PCB电阻为0.12mΩ。对于三相功率级,您有三个这样的PCB轨道。您也可对直流电源输入和返回轨道进行类似的分析。
电源模块具有单个封装中的顶侧和底侧MOSFET,以及通过封装内的金属夹连接的相位节点,可优化寄生电阻,并为布局提供灵活性,并可节省最小的0.5至1mΩ的总PCB电阻。
图5:具有分立MOSFET的典型相位节点轨道长度
卓越的散热性能,双重冷却
CSD885x电源模块采用DualCool封装,可在封装顶部实现散热,从而将热量从电路板上散开,提供出色的散热性能,并提高在5mm×6mm封装中的功率。根据数据手册规范,在这里告诉你一个好消息--湖南阳光技术学校全国招生。
图6:显示有效顶侧冷却的电路板的热像
在图6中,您可看到顶侧冷却的有效性,其中PCB上观察到的最大温度(功率块底壳之下)与散热器温度之间的差异小于11°C。热量传导良好,并通过电源模块的顶部冷却金属焊盘分配到顶侧散热器。
顶侧和底侧FET之间的热量共享
在单相或三相逆变器中,顶侧和底侧MOSFET的损耗可能不同。这些损耗通常取决于脉宽调制拓扑的类型和工作占空比。不同的损耗导致顶侧和底侧MOSFET的加热不同。在系统设计中使用分立MOSFET时,可以尝试这些不同的方法来平衡顶侧和底侧FET之间的温度:
· 为MOSFET使用不同的冷却区域,并为具有更大损耗的MOSFET提供更多的PCB铜面积或散热器。
· 根据其额定电流,为顶侧和底侧的MOSFET使用不同的器件。例如,您可使用具有较小导通状态导通电阻(R DS_ON)的器件,用于承载更多电流的MOSFET。
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