驅(qū)動電機功率級的性能如何提高電動工具設(shè)計

使用電動工具、園藝工具和吸塵器的家電使用低電壓（2至10節(jié)）鋰離子電池供電的電動機驅(qū)動。這些工具使用有刷直流(BDC)或三相無刷直流（BLDC）電機。BLDC電機效率更高、維護少、噪音小、使用壽命更長。

驅(qū)動電機功率級的最重要的性能要求是尺寸小、效率高、散熱性能好、保護可靠、峰值電流承載能力強。小尺寸可實現(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。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可延長使用壽命，有助于提高產(chǎn)品聲譽。

為在兩個方向上驅(qū)動BDC電機，您需要使用兩個半橋（四個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET））組成一個全橋。要驅(qū)動三相BLDC電機，需要使用三個半橋（六個MOSFET）組成一個三相逆變器。

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），您可通過兩個電源模塊和只帶三個電源模塊的三相BLDC電機在兩個方向驅(qū)動電機，如圖1所示。每個電源模塊連接兩個MOSFET（高側(cè)和低側(cè)MOSFET），組成一個半橋。

圖1：不同電機驅(qū)動拓撲中的功率塊MOSFET

我們來看看這些功率塊可帶給無繩工具電機驅(qū)動子系統(tǒng)設(shè)計的優(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FET的功率塊可讓用于逆變器拓撲的三相PCB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)省值實際上遠超90 mm2。大多數(shù)無繩電動工具應(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)會導(dǎo)致電壓振鈴，從而導(dǎo)致MOSFET上的電壓應(yīng)力。

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)點電壓振鈴。

使用電源模塊時，具有連接兩個MOSFET的開關(guān)節(jié)點夾將高側(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)點電壓振鈴。使用這些電源模塊有助于確保平滑的驅(qū)動MOSFET開關(guān)，即使在電流高達50A時也不會出現(xiàn)電壓過沖，如圖4所示。

圖3：具有分立MOSFET的相節(jié)點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并排連接時的銅軌道；這是可將電機繞組連輕松連接到PCB的常見布局之一。連接相位節(jié)點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)點之間。但是由于需要提供將電機繞組連接到相位節(jié)點，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)計的PCB銅厚度為2oz（70μm），則連接圖5所示的相位節(jié)點的單層PCB軌道將具有約0.24mΩ的電阻。假設(shè)軌道存在于兩個PCB平面中，則等效PCB電阻為0.12mΩ。對于三相功率級，您有三個這樣的PCB軌道。您也可對直流電源輸入和返回軌道進行類似的分析。

電源模塊具有單個封裝中的頂側(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，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)制拓撲的類型和工作占空比。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)計中使用分立MOSFET時，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，這些方法不會提供最佳冷卻，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，從而實現(xiàn)頂側(cè)和底側(cè)MOSFET之間的自動熱共享，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)可實現(xiàn)更可靠的解決方案，其具有更長的壽命且維護少。

• 降低PCB軌道長度會降低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。