驱动电机功率级的性能如何提高电动工具设计

使用电动工具、园艺工具和吸尘器的家电使用低电压（2至10节）锂离子电池供电的电动机驱动。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（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。

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（高侧和低侧MOSFET），组成一个半桥。

图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%。

与相同性能级别的分立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扑的三相PCB面积减少90 mm2（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

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。

图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。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。

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。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，如图4所示。

图3：具有分立MOSFET的相节点电压振铃和电压过冲

图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。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（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。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（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。

图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×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。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。

图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（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。使用功率块MOSFET，其中顶侧和底侧MOSFET处于同一封装中，从而实现顶侧和底侧MOSFET之间的自动热共享，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、高效率和具有成本竞争力的系统解决方案。