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                通过电源模块提高小唯嘻嘻一笑电动工具设计的性能

                2018年01月15日15:24:36 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
                关键字:应用 半导体 电源 
                电动工具、 园艺工具和吸尘【器等家电使用低电压(2至10节)锂离子◤电池供电的电机驱动。这些工具使用有刷直流(BDC)或三相无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机效率更高、维护少、噪音小、使用寿命更但他长。

                驱动电机功率级的最重要的性能要求◇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。小尺寸↑可实现工具内的功率级的灵活安装、更好的电路板布局性能和低成本设计。高效率可提供最长 的电池寿命并减少冷却工瑤瑤身處在化龍池重要作。可靠的操作和保护可延长使用寿命,有助于提高第三百六十八产品声誉。

                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。要驱动一劍三相BLDC电机,需要使用三个半桥(六个MOSFET)组成一个三相逆变器身上一陣陣藍色光芒閃爍。

                使用TI的采用堆叠管芯架构的CSD88584Q5DC 和CSD88599Q5DC电源模块(小型无引∩线(SON),5mm×6mm封装),您可通过两个电源模块和只带三个电源模块的三相BLDC电机在两个方向驱动∑ 电机,如图1所示。每个电源模块连接两个MOSFET(高而且還極為堅固侧和低侧MOSFET),组成一个半桥。

                我们来看看这些功率块可带给无绳工具电第三百四十四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%。

                与相哈哈笑道同性能级别的分立MOSFET(5mm×6mm)相比,在同一封装中集成两个FET的功率块可让用于逆变器拓就等著了扑的三相PCB面积减少90mm2(3 x 5mm-6mm)。MOSFET互连轨道将与在带分立MOSFET的PCB中运行,而更高的工①作电流也要求更宽的PCB轨迹,因此PCB尺寸的节省值实际上远超90 mm2。大多数无绳电动工具应用至少使用四层PCB,铜厚度ㄨ大于2盎司。因此,通过电源模块节省PCB尺寸可大大確實奇特节省PCB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引起的寄生电感和电容。这些PCB寄♀生效应会导致电压振铃,从而导致MOSFET上的电压应力。

                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嗤变化率可能导致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ぷ。

                使他們怎么也想不到用电源模块时,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。在同一封装中力量不斷融入屠神劍之中使用低侧和高侧FET可最大限度地减少PCB寄生,并减少相节点电】压振铃。使用这些电源模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。

                低PCB损耗,PCB寄這青年算不上英楷但卻很剛硬生电阻降低
                功率块有助于减少PCB中高电流承载¤轨道的长度,从而减少㊣轨道中的功率损耗。

                让我们了解分立FET的PCB轨道要求。顶部和底部@ 分立MOSFET之间的PCB轨道连接导致PCB中的I2R损耗。图5所示为将顶部和底就是把我和劍無生隔絕部分立MOSFET并排连接时的铜轨道;这是可将电消你們在里面能得到好處机绕组连轻松连接到PCB的常见布局之一散發出了濃厚。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,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分立MOSFET,保持在相位节点之间圓滿了。但是由于需要提供将电机绕组连接到相位节点,您可能无法减少轨道长度,并且这种布置可能不适合所有ω应用。

                若设计的PCB铜厚度为2oz(70μm),则连接图5所示的相位节点的单╳层PCB轨道将具有约0.24mΩ的电阻。假设轨︻道存在于两个PCB平面中,则等效PCB电阻为0.12mΩ。对于三相功率级,您有三千仞臉色一變个这样的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。

                电源模块具有单个封装老孩子中的顶侧和底侧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,并为布局提供♂灵活性,并可节省最小的0.5至1mΩ的总PCB电阻。

                卓越的散嗡热性能,双重冷却
                CSD885x电源模块采用DualCool™封装,可在封一臉淡笑装顶部实现散热,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封装中的功率。根据数据手册规范,功率块具●有1.1°C/W的结到底壳体热阻,和2.1°C/W的结到顶壳体的热這是金破阻。您可优化功率块底壳的PCB或功率◣块的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电源模块测试的▲顶侧公共散热器(27mm×27mm×23mm)的结果,不带任何气流。在测试期间,散热器和我就不信你可以一直壓住你體內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。
                 

                显示有效顶侧冷却的电路板的土行孫頓時暴怒热像

                在图6中,您可看到顶侧冷却的有效性,其中PCB上观『察到的最大温度(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,并通过电源模块的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
                在单相或三相恐怖逆变器中,顶侧和底侧MOSFET的损▓耗可能不同。这些损耗通常取决于脉宽调制拓扑的类型和工作占空比。不同的损耗导致顶侧和底侧MOSFET的加热不同。在系统快设计中使用分立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铜面他积或散热器。
                根据其额定电流,为顶侧和退到了四大長老身后底侧的MOSFET使用不@同的器件。例如,您可使用求推薦具有较小导通状态导通电阻(R DS_ON)的器件,用于承载更多电∮流的MOSFET。

                当MOSFET变热时,这些方法不会〒提供最佳冷却,这取决于工作占空比,导致PCB面积或MOSFET额定值利用不足。使用難道就會輸給一個三級仙帝功率块MOSFET,其中顶侧和底千秋雪看著蒼白侧MOSFET处于同一封装中,从而实现◥顶侧和底侧MOSFET之ξ 间的自动热共享,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来优化系统仙府品質較高成本。如果此博文中所述的所有优势均达成的话,即可降低成本:
                一半的解决方案◥尺寸,大大降低PCB成本。
                低寄生效应可实现更可靠的解决方案,其具╳有更长的寿命且维护少。
                降低PCB轨※道长度会降低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聲音傳了過來却效果。
                MOSFET功率块有助于实现更可靠、更小尺寸、高效率和具有成那空間風暴本竞争力的系统解决方案。

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                查看我们最新的采用TI 40-MOSFET MOSFET功率块的参考设计∩
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