電動工具、 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驅動。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。小尺寸可實現工具內的功率級的靈活安裝、更好的電路板布局性能和低成本設計。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，有助于提高產品聲譽。
為在兩個方向上驅動BDC電機，您需要使用兩個半橋(四個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET))組成一個全橋。要驅動三相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電機在兩個方向驅動電機，如圖1所示。每個電源模塊連接兩個MOSFET(高側和低側MOSFET)，組成一個半橋。
圖1：不同電機驅動拓撲中的功率塊MOSFET
我們來看看這些功率塊可帶給無繩工具電機驅動子系統(tǒng)設計的優(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。大多數無繩電動工具應用至少使用四層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。
具有低寄生效應的清潔MOSFET開關
圖2所示為功率級PCB設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寄生效應會導致電壓振鈴，從而導致MOSFET上的電壓應力。
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。由快速開關引起的高電流變化率可能導致高二極管反向恢復電流。反向恢復電流流經寄生布局電感。由FET電容和寄生電感形成的諧振網絡引起相位節(jié)點振鈴，減少了電壓裕度并增加了器件的應力。圖3所示為由于電路寄生效應引起的具有分立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的開關節(jié)點夾將高側和低側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和高側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動MOSFET開關，即使在電流高達50A時也不會出現電壓過沖，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和底側分立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用。
若設計的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和底側MOSFET，以及通過封裝內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。根據數據手冊規(guī)范，功率塊具有1.1°C/W的結到底殼體熱阻，和2.1°C/W的結到頂殼體的熱阻。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)內使用三個CSD88599Q5DC雙冷60V電源模塊測試的頂側公共散熱器(27mm×27mm×23mm)的結果，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：顯示有效頂側冷卻的電路板的熱像
在圖6中，您可看到頂側冷卻的有效性，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。熱量傳導良好，并通過電源模塊的頂部冷卻金屬焊盤分配到頂側散熱器。
頂側和底側FET之間的熱量共享
在單相或三相逆變器中，頂側和底側MOSFET的損耗可能不同。這些損耗通常取決于脈寬調制拓撲的類型和工作占空比。不同的損耗導致頂側和底側MOSFET的加熱不同。在系統(tǒng)設計中使用分立MOSFET時，可以嘗試這些不同的方法來平衡頂側和底側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。
· 根據其額定電流，為頂側和底側的MOSFET使用不同的器件。例如，您可使用具有較小導通狀態(tài)導通電阻(R DS_ON)的器件，用于承載更多電流的MOSFET。
當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，導致PCB面積或MOSFET額定值利用不足。使用功率塊MOSFET，其中頂側和底側MOSFET處于同一封裝中，從而實現頂側和底側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。
· 低寄生效應可實現更可靠的解決方案，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。
注：本文由TI德州儀器供稿
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