通过电源模块提高电动工具设计的性能

电动工具园艺工具吸尘器等电器采用低电压(2至10节)锂离子电池供电的电机驱动器。这些工具使用有刷直流(BDC)或三相无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机的效率更高、维护少、噪音小,且使用寿命更长。

驱动电机功率级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。尺寸小,可在工具内实现灵活的功率级安装、更好的电路板布局性能和低成本设计。效率高,则可最大限度地延长电池寿命并减少冷却操作。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,您需要使用两个半桥(四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))组成一个全桥。而要驱动三相BLDC电机,则需要使用三个半桥(六个MOSFET)组成一个三相逆变器。

凭借TI采用堆叠管芯架构的CSD88584Q5DCCSD88599Q5DC功率块(小型无引线(SON),5mm×6mm封装),您可以分别通过两个功率块在两个方向驱动BDC电机,并通过三个功率块驱动三相BLDC电机,如图1所示。每个功率块连接两个MOSFET(高侧和低侧MOSFET),组成一个半桥。

  

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,与分立MOSFET相比,PCB占地面积减少了50%。

与同性能级别的分立MOSFET(5mm×6mm)相比,在同一封装中集成两个FET的功率块可让用于三相逆变器拓扑的PCB面积减少90mm2(3 x 5mm x 6mm)。MOSFET互连轨道将在带分立MOSFET的PCB中运行,而更高的工作电流也要求具有更宽的PCB轨迹,因此PCB尺寸的减少量实际上远超 90mm2。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,通过功率块减小PCB尺寸可大大节省PCB的成本。

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产生的寄生电感和电容。这些PCB寄生效应会导致电压振铃,进而在MOSFET上产生电压应力。

 

  2:功率级半桥中的寄生电感和电容

出现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会导致出现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。

 

3:具有分立MOSFET的相位节点电压振铃和电压过冲

 

使用功率块时,具有连接两个MOSFET的开关节点夹将高侧和低侧MOSFET之间的寄生电感保持在绝对最小值。在同一封装中使用低侧和高侧FET可最大限度地减少PCB寄生,并减少相节点电压振铃。

使用这些功率块有助于确保平滑的驱动MOSFET开关,即使在电流高达50A时也不会出现电压过冲,如图4所示。


 
4:带有功率块的清洁相位节点开关波形

PCB损耗,PCB寄生电阻降低

功率块有助于减小PCB中高电流承载轨道的长度,从而减少轨道中的功率损耗。

让我们来了解一下分立FET的PCB轨道要求。顶部和底部分立MOSFET之间的PCB轨道连接会使PCB中出现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,且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的分立MOSFET,使相位节点处于MOSFET之间。但是由于需要将电机绕组连接到相位节点,您可能无法缩短轨道长度,并且这种布置可能不适合所有应用。

若设计的PCB铜厚度为2 oz(70μm),则连接图5所示相位节点的单层PCB轨道将具有约0.24mΩ的电阻。假设轨道位于两个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。

功率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,为布局提供灵活性,并可节省最小的0.5至1mΩ的总PCB电阻。

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功率块采用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封装中可消耗的功率。根据数据表规范,功率块具有1.1°C/W的结到底部壳体热阻,和2.1°C/W的结到顶部壳体热阻。您可以优化功率块底壳的PCB或功率块顶盖的散热片的冷却功能。图6所示为在1kW,36V三相逆变器PCB(36mm×50mm)内使用三个CSD88599Q5DC双冷60V功率块测试的顶侧共用散热器(27mm×27mm×23mm)的结果,不带任何气流。在测试期间,散热器和功率块顶壳之间使用具有低热阻抗(Rθ<0.5°C/W)的电绝缘热接口。

  

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,其中在PCB上观察到的最高温度(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,并通过功率块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的损耗可能有所不同。这些损耗通常取决于脉宽调制拓扑的类型和工作占空比。不同的损耗会导致顶侧和底侧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(RDS_ON)的器件,用于承载更多电流的MOSFET。

视工作占空比而定,当MOSFET变热时,这些方法不会起到最佳冷却效果,导致PCB面积或MOSFET额定值利用不足。使用功率块MOSFET,其中顶侧和底侧MOSFET处于同一封装中,可以在顶侧和底侧MOSFET之间自动实现热共享,并提供更好的热性能和优化的系统性能。

系统成本低

可通过在设计中使用功率块MOSFET来优化系统成本。如果本博文中所述的所有优势均达成的话,即可降低成本:

  • 将解决方案的尺寸减半,大大降低PCB成本。
  • 低寄生效应可实现更可靠的解决方案,在延长寿命的同时减少维护。
  • 缩短PCB轨道长度可降低PCB电阻,从而通过较小的散热器降低损耗,提高效率。
  • 卓越的热性能可提高冷却效果。

MOSFET功率块有助于实现更可靠、更小、高效和具有成本竞争力的系统解决方案。

其他资源

 

英文原文链接:

https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2017/09/14/improve-the-performance-of-your-power-tool-design-with-these-power-block-mosfets