通過電源模塊提高電動工具設計的性能

 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(xiàn)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,。可靠的操作和保護可延長使用壽命,，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(shù)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(wǎng)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(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）,?；蛘?，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(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(jù)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(xiàn)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(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,。

 其它資源

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