通過電源模塊提高電動(dòng)工具設(shè)計(jì)的性能

　　電動(dòng)工具、 園藝工具和吸塵器等家電使用低電壓(2至10節(jié))鋰離子電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這些工具使用有刷直流(BDC)或三相無刷直流(BLDC)電機(jī)。BLDC電機(jī)效率更高、維護(hù)少、噪音小、使用壽命更長。

　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率級的最重要的性能要求是尺寸小、效率高、散熱性能好、保護(hù)可靠、峰值電流承載能力強(qiáng)。小尺寸可實(shí)現(xiàn)工具內(nèi)的功率級的靈活安裝、更好的電路板布局性能和低成本設(shè)計(jì)。高效率可提供最長的電池壽命并減少冷卻工作?？煽康牟僮骱捅Ｗo(hù)可延長使用壽命，有助于提高產(chǎn)品聲譽(yù)。

　　為在兩個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)，您需要使用兩個(gè)半橋(四個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET))組成一個(gè)全橋。要驅(qū)動(dòng)三相BLDC電機(jī)，需要使用三個(gè)半橋(六個(gè)MOSFET)組成一個(gè)三相逆變器。

　　使用TI的采用堆疊管芯架構(gòu)的CSD88584Q5DC 和CSD88599Q5DC電源模塊(小型無引線(SON)，5mm×6mm封裝)，您可通過兩個(gè)電源模塊和只帶三個(gè)電源模塊的三相BLDC電機(jī)在兩個(gè)方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖1所示。每個(gè)電源模塊連接兩個(gè)MOSFET(高側(cè)和低側(cè)MOSFET)，組成一個(gè)半橋。

　　圖1：不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)渲械墓β蕢KMOSFET

　　我們來看看這些功率塊可帶給無繩工具電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

　　功率密度倍增

　　CSD885x功率塊中的雙重堆疊芯片技術(shù)使印刷電路板(PCB)面積達(dá)到了之前的兩倍，與分立MOSFET相比，PCB占地面積減少了50%。

　　與相同性能級別的分立MOSFET(5mm×6mm)相比，在同一封裝中集成兩個(gè)FET的功率塊可讓用于逆變器拓?fù)涞娜郟CB面積減少90 mm2(3 x 5mm-6mm)。MOSFET互連軌道將與在帶分立MOSFET的PCB中運(yùn)行，而更高的工作電流也要求更寬的PCB軌跡，因此PCB尺寸的節(jié)省值實(shí)際上遠(yuǎn)超90 mm2。大多數(shù)無繩電動(dòng)工具應(yīng)用至少使用四層PCB，銅厚度大于2盎司。因此，通過電源模塊節(jié)省PCB尺寸可大大節(jié)省PCB成本。

　　具有低寄生效應(yīng)的清潔MOSFET開關(guān)

　　圖2所示為功率級PCB設(shè)計(jì)中由元件引線和非優(yōu)化布局引起的寄生電感和電容。這些PCB寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電壓振鈴，從而導(dǎo)致MOSFET上的電壓應(yīng)力。

　　電機(jī)繞組

　　圖2：功率級半橋中的寄生電感和電容。

　　振鈴的原因之一是二極管反向恢復(fù)。由快速開關(guān)引起的高電流變化率可能導(dǎo)致高二極管反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流流經(jīng)寄生布局電感。由FET電容和寄生電感形成的諧振網(wǎng)絡(luò)引起相位節(jié)點(diǎn)振鈴，減少了電壓裕度并增加了器件的應(yīng)力。圖3所示為由于電路寄生效應(yīng)引起的具有分立MOSFET的相位節(jié)點(diǎn)電壓振鈴。

　　使用電源模塊時(shí)，具有連接兩個(gè)MOSFET的開關(guān)節(jié)點(diǎn)夾將高側(cè)和低側(cè)MOSFET之間的寄生電感保持在絕對最小值。在同一封裝中使用低側(cè)和高側(cè)FET可最大限度地減少PCB寄生，并減少相節(jié)點(diǎn)電壓振鈴。使用這些電源模塊有助于確保平滑的驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)，即使在電流高達(dá)50A時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)電壓過沖，如圖4所示。

　　　圖3：具有分立MOSFET的相節(jié)點(diǎn)電壓振鈴和電壓過沖

　　圖4：帶有電源模塊的清潔相位節(jié)點(diǎn)切換波形

　　低PCB損耗，PCB寄生電阻降低

　　功率塊有助于減少PCB中高電流承載軌道的長度，從而減少軌道中的功率損耗。

　　讓我們了解分立FET的PCB軌道要求。頂部和底部分立MOSFET之間的PCB軌道連接導(dǎo)致PCB中的I2R損耗。圖5所示為將頂部和底部分立MOSFET并排連接時(shí)的銅軌道;這是可將電機(jī)繞組連輕松連接到PCB的常見布局之一。連接相位節(jié)點(diǎn)的銅面積的長度為寬度的兩倍(軌道寬度取決于電流，軌道寬度通常受電路板的外形尺寸限制)。或者，您可以上下排列頂側(cè)和底側(cè)分立MOSFET，保持在相位節(jié)點(diǎn)之間。但是由于需要提供將電機(jī)繞組連接到相位節(jié)點(diǎn)，您可能無法減少軌道長度，并且這種布置可能不適合所有應(yīng)用。

　　若設(shè)計(jì)的PCB銅厚度為2oz(70μm)，則連接圖5所示的相位節(jié)點(diǎn)的單層PCB軌道將具有約0.24mΩ的電阻。假設(shè)軌道存在于兩個(gè)PCB平面中，則等效PCB電阻為0.12mΩ。對于三相功率級，您有三個(gè)這樣的PCB軌道。您也可對直流電源輸入和返回軌道進(jìn)行類似的分析。

　　電源模塊具有單個(gè)封裝中的頂側(cè)和底側(cè)MOSFET，以及通過封裝內(nèi)的金屬夾連接的相位節(jié)點(diǎn)，可優(yōu)化寄生電阻，并為布局提供靈活性，并可節(jié)省最小的0.5至1mΩ的總PCB電阻。

　　圖5：具有分立MOSFET的典型相位節(jié)點(diǎn)軌道長度

　　卓越的散熱性能，雙重冷卻

　　CSD885x電源模塊采用DualCool?封裝，可在封裝頂部實(shí)現(xiàn)散熱，從而將熱量從電路板上散開，提供出色的散熱性能，并提高在5mm×6mm封裝中的功率。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊規(guī)范，功率塊具有1.1°C/W的結(jié)到底殼體熱阻，和2.1°C/W的結(jié)到頂殼體的熱阻。您可優(yōu)化功率塊底殼的PCB或功率塊的頂蓋的散熱片的冷卻功能。圖6所示為在1kW，36V三相逆變器PCB(36mm×50mm)內(nèi)使用三個(gè)CSD88599Q5DC雙冷60V電源模塊測試的頂側(cè)公共散熱器(27mm×27mm×23mm)的結(jié)果，不帶任何氣流。在測試期間，散熱器和功率塊頂殼之間使用具有低熱阻抗(Rθ<0.5°C / W)的電絕緣熱接口。

　　圖6：顯示有效頂側(cè)冷卻的電路板的熱像

　　在圖6中，您可看到頂側(cè)冷卻的有效性，其中PCB上觀察到的最大溫度(功率塊底殼之下)與散熱器溫度之間的差異小于11°C。熱量傳導(dǎo)良好，并通過電源模塊的頂部冷卻金屬焊盤分配到頂側(cè)散熱器。

　　頂側(cè)和底側(cè)FET之間的熱量共享

　　在單相或三相逆變器中，頂側(cè)和底側(cè)MOSFET的損耗可能不同。這些損耗通常取決于脈寬調(diào)制拓?fù)涞念愋秃凸ぷ髡伎毡?。不同的損耗導(dǎo)致頂側(cè)和底側(cè)MOSFET的加熱不同。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用分立MOSFET時(shí)，可以嘗試這些不同的方法來平衡頂側(cè)和底側(cè)FET之間的溫度：

　　· 為MOSFET使用不同的冷卻區(qū)域，并為具有更大損耗的MOSFET提供更多的PCB銅面積或散熱器。

　　· 根據(jù)其額定電流，為頂側(cè)和底側(cè)的MOSFET使用不同的器件。例如，您可使用具有較小導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通電阻(R DS_ON)的器件，用于承載更多電流的MOSFET。

　　當(dāng)MOSFET變熱時(shí)，這些方法不會(huì)提供最佳冷卻，這取決于工作占空比，導(dǎo)致PCB面積或MOSFET額定值利用不足。使用功率塊MOSFET，其中頂側(cè)和底側(cè)MOSFET處于同一封裝中，從而實(shí)現(xiàn)頂側(cè)和底側(cè)MOSFET之間的自動(dòng)熱共享，并提供更好的熱性能和優(yōu)化的系統(tǒng)性能。

　　系統(tǒng)成本低

　　可通過在設(shè)計(jì)中使用功率塊MOSFET來優(yōu)化系統(tǒng)成本。如果此博文中所述的所有優(yōu)勢均達(dá)成的話，即可降低成本：

　　· 一半的解決方案尺寸，大大降低PCB成本。

　　· 低寄生效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)更可靠的解決方案，其具有更長的壽命且維護(hù)少。

　　· 降低PCB軌道長度會(huì)降低PCB電阻，從而通過較小的散熱器降低損耗，提高效率。

　　· 卓越的熱性能可提高冷卻效果。

　　MOSFET功率塊有助于實(shí)現(xiàn)更可靠、更小尺寸、高效率和具有成本競爭力的系統(tǒng)解決方案。

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