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2019-02-19

电源模块如何提高电动工具性能

  电动工具、 园艺工具和吸尘器等家电使用低电压锂离子电池供电的电机驱动。这些工具使用有刷直流或三相无刷直流电机。BLDC电机效率更高、维护少、噪音小、使用寿命更长。
  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)组成一个全桥。要驱动三相BLDC电机,需要使用三个半桥组成一个三相逆变器。
  使用TI的采用堆叠管芯架构的CSD88584Q5DC 和CSD88599Q5DC电源模块,5mm&TImes;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1所示。每个电源模块连接两个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。ETA电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小,电流和电压是否稳定,将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
  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%。
  与相同性能级别的分立MOSFET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扑的三相PCB面积减少90 mm2。MOSFET互连轨道将与在带分立MOSFET的PCB中运行,而更高的工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,铜厚度大于2盎司。因此,通过电源模块节省PCB尺寸可大大节省PCB成本。
  具有低寄生效应的清洁MOSFET开关
  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。
  2:功率级半桥中的寄生电感和电容。
  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。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。
  使用电源模块时,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。ETA电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小,电流和电压是否稳定,将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。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4所示。
  3:具有分立MOSFET的相节点电压振铃和电压过冲
  4:带有电源模块的清洁相位节点切换波形
  低PCB损耗,PCB寄生电阻降低
  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。5所示为将顶部和底部分立MOSFET并排连接时的铜轨道;这是可将电机绕组连轻松连接到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。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。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应用。
  若设计的PCB铜厚度为2oz,则连接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。
  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电源模块采用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&TImes;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。6所示为在1kW,36V三相逆变器PCB内使用三个CSD88599Q5DC双冷60V电源模块测试的顶侧公共散热器的结果,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
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