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          通過電源模塊提高電動工具設計的性能

          作者:(www.beer17.com) 發布于:2018/1/3 13:18:10 點擊量:

                  電動工具、 園藝工具和吸塵器等家電使用低電壓(2至10節)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,每個電源模塊連接兩個MOSFET(高側和低側MOSFET),組成一個半橋。 我們來看看這些功率塊可帶給無繩工具電機驅動子系統設計的優勢。

          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,通過電源模塊節省PCB尺寸可大大節省PCB成本。

          具有低寄生效應的清潔MOSFET開關,功率級PCB設計中由元件引線和非優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。

          電機繞組

          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點振鈴,減少了電壓裕度并增加了器件的應力。使用電源模塊時,具有連接兩個MOSFET的開關節點夾將高側和低側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,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);蛘,您可以上下排列頂側和底側分立MOSFET,保持在相位節點之間。但是由于需要提供將電機繞組連接到相位節點,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),則連接的相位節點的單層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點,可優化寄生電阻,并為布局提供靈活性,并可節省最小的0.5至1mΩ的總PCB電阻。

          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。您可優化功率塊底殼的PCB或功率塊的頂蓋的散熱片的冷卻功能。

          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化的系統性能。

          系統成本低

          可通過在設計中使用功率塊MOSFET來優化系統成本。如果此博文中所述的所有優勢均達成的話,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解決方案。


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