低功率和大功率栅极驱动器的实例计算

有了这么多的强力工具选项，设计兼容性可能是一个斗争。了解更多关于利用金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的挑战

在当今的电动工具市场上，电池电压和扭矩要求的范围很广，这常常导致设计使用不同的平台来支持范围有限的产品，这可能会带来各种兼容性的挑战。总的来说，如果使用一个单一的行业范围的平台来为计划的产品范围服务，可以从研究和开发计划中节省大量的时间和成本。

本文讨论了电动工具对电压和转矩的要求范围，并给出了低功率和大功率栅极驱动器的实例计算。此外，它旨在解释如何解释大相径庭的散热器的要求，数量的 mosfet 正在使用，等等。

电动工具选择的广泛性

一些电动工具阵容跨越12v 到24v 的范围，而其他跨越12v 到60v 的范围(甚至高达80v 与一些草坪工具)。随着这些更高的操作电池电压来严酷的环境，引入更大的负瞬变的驱动器输出阶段，需要多个 PCB 设计，从抓斗袋的低功率和高功率电机驱动芯片。

一个普通的无刷直流电动机(BLDC)或半桥，如图1所示的电源电路，跨越市场上所有电动工具设计的驱动芯片，将减少开发和生产新电动工具所需的时间和精力，整合软件开发时间和 PCB 设计/测试周期。

图1. 半桥 MOSFET 的功率段示例

Such a platform must allow for the full range of maximum voltages across those devices: many motor driver devices, for example, have a maximum supply voltage of only 40 V. This does not leave adequate margin in most 24 V or 36 V systems to deliver a robust design that can withstand the harsh voltage transients that may arise on the power-tool voltage supply during motor operation.

这样一个平台必须考虑到这些设备之间的全部最大电压范围: 例如，许多电机驱动设备的最大供电电压只有40 v。这并没有留下足够的余地，在大多数24伏特或36伏特的系统，以提供一个坚固的设计，可以承受苛刻的电压瞬变，可能会出现的电动工具电压供应在电机运行。

独立栅极驱动器具有更宽的电源电压范围，可以承受这些瞬变(如下面讨论的50v 和更高的栅极驱动器) ，这将使系统设计人员在大跨度电动工具电池上实现通用设计的时间和资源节约。

对于功率较大的48v、60v 或80v 系统，集成三相 bldc 的解决方案较少。图2显示了一个应用程序示例图。

图2. 一个80v 门驱动程序的应用程序示例图

当电力分布在紧凑的高压半桥的电路板周围时，必要的电动工具设计可能更容易实现。超小型3mm × 3mm DFN 封装中的100v 半桥可以帮助实现这一目标。

宽电源电压范围可用于小型12v 钻机或功率更大的80v 单 PCB 架构的管线修整器，为了节省低功耗工具的成本，可以根据需要的功率水平进出各种 mosfet。

大功率、小功率门极驱动器的计算

高端电动工具往往支持延长作业时间或作业频繁，快速，高功率的爆发。他们也可能有峰值扭矩额定超过1200在-磅或130牛米，通常计算在2,000转。

另一方面，电池驱动的割草机需要较少的扭矩，但仍然需要长时间的高速运转。这要求门驱动器为一个共同的平台需要能够驱动12伏，30千瓦峰值电钻和80伏，4.5千瓦割草机。

当两种工具的共同额定扭矩转换为动力时，驾驶员需要调节的跨度如下所示:

举个例子，一个大功率钻头的峰值:

另一方面，一个低功耗、长时间使用的割草机计算会得出以下结果:

以上的功率水平是需要设计师来确定什么驱动器和 MOSFET 使用在任何给定的系统。在使用各种电动工具时，适当考虑这里的广泛结果是设计过程中的关键步骤。

大多数驱动器提供7 v 到13 v 的栅极驱动电压。总栅极电荷是衡量需要多少电流来开启 MOSFET，它在最常用的 MOSFET 中变化很大，在其标称的10 v。一个低剖面的40 v 额定 DFN MOSFET 可能有一个总栅极电荷65 nC，而一个100 v 额定 MOSFET 可能有一个总栅极电荷只有35 nC。

为了确保支持全功率谱的工具阵容，设计人员必须调节平均 VREG 电流，驱动器可以提供给 MOSFET 的栅极，使 MOSFET 处于通态。

此外，设计人员必须考虑最大源和汇电流，以确保 MOSFET 快速通过密勒区，但限制因素的脉宽调制(PWM)驱动频率和 MOSFET 尺寸将是平均 VREG 电流驱动器可以提供的栅极驱动器。

确定在给定的 PWM 频率下保持 mosfet 处于通态所需的平均 VREG 驱动(Iavg)电流的方程是:

驱动器方案驱动的 mosfet 数量发生了变化:

六(6)用于正弦驱动器

两(2)用于梯形驱动器

四(4)用于两相正弦激励

在这些例子中，一个 PWM 频率被设置在20千赫以上的可听范围。

图3中的下图显示了由栅极驱动器提供的电流与驱动器频率之间的关系。

图3。共同的驱动器 IREG 功能图和计算所需的电流，以维持六个35数控 mosfet 在不同的 PWM 频率

使用以上的平均电流公式，我们可以看到什么频率可以支持选定数量的 MOSFET 和选定的 MOSFET 栅电荷值。在 IREG 线上的点显示了在不同频率正弦模式下驱动6个 mosfet 所需的电流。水平线显示最大电流选择的栅极驱动器可以提供的参考线。

存在更多的 MOSFET 选项，总栅极电荷的值是无限的。关键的一点是，在任何系统中，设计人员必须在选择驱动程序之前处理影响平均 VREG 驱动程序当前的组件之间的相互作用。使用一个65纳米的 MOSFET 总栅极电荷在10伏和驱动器的15毫安平均电流驱动在20千赫兹将提供足够的余地强大的栅极驱动器。

使用相同的设计为一个低功率的工具，MOSFET 可以与一个较低的 id 级设备交换与较高的总门电荷，一个高水平的例子如图4所示。

图4. 一个高级的例子，显示了电机驱动器如何能够灵活的 PCB 设计

电动工具系统设计的下一个考虑因素是驱动器的鲁棒性。它将如何执行在恶劣的环境与大瞬变产生的高扭矩电机？

当驱动器开关用于控制峰值功率为30千瓦的电机的 mosfet 时，必然会产生大的正负瞬态脉冲。系统设计者可以在 MOSFET 桥接电源上安装大量的电容器，或者选择具有内置瞬态保护的驱动器，从而节省 PCB 空间和 BOM 成本。

Allegro MicroSystem's的 Gate Driver Portfolio

系统，跨越12v 到80v 的范围往往需要一个司机与较高的供应额定值，支持高功率18v 钻头和80v 割草机。虽然选择合适的集成三相无刷直流电机驱动器是有限的，一套有能力的100伏半桥可以满足需要。

为电动工具设计考虑的一个例子产品是 Allegro A89500，一个100 v 级的半桥，可以驱动系统高达30千瓦。峰值汇和源电流足够高，可以快速切换到开启状态的 mosfet 和可以很容易地设置与外部电阻高灵活性和强大的电磁兼容(EMC)设计。独立的栅极驱动器供应然后支持所有需要的电流，以保持在高电流100% 占空比情况下的 mosfet 在通态。

Allegro 的电动工具门驱动器组合——如50 v 级的 a4919和100 v 级的 a89500——提供了直接嵌入电路的负面瞬态保护。如下图5所示，是一个图表。

相位连接暂态鲁棒性和 Allegro 和其他供应商门驱动器的最大电源电压额定值

A89500的高侧栅极驱动器输出可以在18 v 到100 v 的短时瞬态相位连接上承受电压。

虽然这个市场的一些其他选择是健壮的 ~ 8 v 在相位连接，许多厂商只能支持 ~ 2 v 地下。这些不那么坚固的解决方案将需要为更加粗糙的大功率工具或重要的保护电路进行单独的多氯联苯设计，否则在电动工具市场的低功率端将不需要这些设计。

不管是什么系统，目前可以使用的设备可以为电动工具设计提供一个公共平台。该 a4919是一个小型直接驱动门驱动器与强大的门驱动电路能够支持大多数系统低于40伏。

A4915是一个类似大小的设备为亚40 v 工具和功能集成霍尔效应传感器供应和反馈电机驱动控制逻辑。该 a4915的内置控制逻辑节省空间与简单的接口，卸载电机控制算法。

对于跨度从12 v 到80 v 的工具组合，小型和能力的 a89500半桥是最佳选择，容易驱动高总栅极电荷大功率 mosfet 或小型多组低功率 mosfet。所有这些设备的目的都是让系统设计人员将电动工具阵容压缩到一个 PCB 上，这样可以节省测试时间，减少软件资源，使开发更快。
 

　　审核编辑：汤梓红