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德州儀器供稿 電動(dòng)工具、 園藝工具和吸塵器等家電使用低電壓（2至10節）鋰離子電池供電的電機驅動(dòng)。這些工具使用有刷直流（BDC）或三相無(wú)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(cháng)。 驅動(dòng)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(shí)現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(cháng)的電池壽命并減少冷卻工作�？煽康牟僮骱捅Ｗo可延長(cháng)使用壽命，有助于提高產(chǎn)品聲譽(yù)。 為在兩個(gè)方向上驅動(dòng)BDC電機，您需要使用兩個(gè)半橋（四個(gè)金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET））組成一個(gè)全橋。要驅動(dòng)三相BLDC電機，需要使用三個(gè)半橋（六個(gè)MOSFET）組成一個(gè)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(wú)引線(xiàn)（SON），5mm×6mm封裝），您可通過(guò)兩個(gè)電源模塊和只帶三個(gè)電源模塊的三相BLDC電機在兩個(gè)方向驅動(dòng)電機，如圖1所示。每個(gè)電源模塊連接兩個(gè)MOSFET（高側和低側MOSFET），組成一個(gè)半橋。 
圖1：不同電機驅動(dòng)拓撲中的功率塊MOSFET 我們來(lái)看看這些功率塊可帶給無(wú)繩工具電機驅動(dòng)子系統設計的優(yōu)勢。 功率密度倍增 CSD885x功率塊中的雙重堆疊芯片技術(shù)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(gè)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尺寸的節省值實(shí)際上遠超90 mm2。大多數無(wú)繩電動(dòng)工具應用至少使用四層PCB，銅厚度大于2盎司。因此，通過(guò)電源模塊節省PCB尺寸可大大節省PCB成本。 具有低寄生效應的清潔MOSFET開(kāi)關(guān) 圖2所示為功率級PCB設計中由元件引線(xiàn)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(huì )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(kāi)關(guān)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(jīng)寄生布局電感。由FET電容和寄生電感形成的諧振網(wǎng)絡(luò )引起相位節點(diǎn)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的相位節點(diǎn)電壓振鈴。 使用電源模塊時(shí)，具有連接兩個(gè)MOSFET的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)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，并減少相節點(diǎn)電壓振鈴。使用這些電源模塊有助于確保平滑的驅動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)，即使在電流高達50A時(shí)也不會(huì )出現電壓過(guò)沖，如圖4所示。
圖3：具有分立MOSFET的相節點(diǎn)電壓振鈴和電壓過(guò)沖
圖4：帶有電源模塊的清潔相位節點(diǎn)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(cháng)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(shí)的銅軌道；這是可將電機繞組連輕松連接到PCB的常見(jiàn)布局之一。連接相位節點(diǎn)的銅面積的長(cháng)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，保持在相位節點(diǎn)之間。但是由于需要提供將電機繞組連接到相位節點(diǎn)，您可能無(wú)法減少軌道長(cháng)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所示的相位節點(diǎn)的單層PCB軌道將具有約0.24mΩ的電阻。假設軌道存在于兩個(gè)PCB平面中，則等效PCB電阻為0.12mΩ。對于三相功率級，您有三個(gè)這樣的PCB軌道。您也可對直流電源輸入和返回軌道進(jìn)行類(lèi)似的分析。 電源模塊具有單個(gè)封裝中的頂側和底側MOSFET，以及通過(guò)封裝內的金屬夾連接的相位節點(diǎn)，可優(yōu)化寄生電阻，并為布局提供靈活性，并可節省最小的0.5至1mΩ的總PCB電阻。
圖5：具有分立MOSFET的典型相位節點(diǎn)軌道長(cháng)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(shí)現散熱，從而將熱量從電路板上散開(kāi)，提供出色的散熱性能，并提高在5mm×6mm封裝中的功率。根據數據手冊規范，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(gè)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(guān)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(guò)電源模塊的頂部冷卻金屬焊盤(pán)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(lèi)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。在系統設計中使用分立MOSFET時(shí)，可以嘗試這些不同的方法來(lái)平衡頂側和底側FET之間的溫度： • 為MOSFET使用不同的冷卻區域，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(shí)，這些方法不會(huì )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(shí)現頂側和底側MOSFET之間的自動(dòng)熱共享，并提供更好的熱性能和優(yōu)化的系統性能。 系統成本低 可通過(guò)在設計中使用功率塊MOSFET來(lái)優(yōu)化系統成本。如果此博文中所述的所有優(yōu)勢均達成的話(huà)，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(shí)現更可靠的解決方案，其具有更長(cháng)的壽命且維護少。 • 降低PCB軌道長(cháng)度會(huì )降低PCB電阻，從而通過(guò)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(shí)現更可靠、更小尺寸、高效率和具有成本競爭力的系統解決方案。 其它資源 · 查看我們最新的采用TI 40-MOSFET MOSFET功率塊的參考設計 · 了解我們的緊湊型1kW功率級參考設計 如何為36V無(wú)刷直流（BLDC）電機實(shí)現99%的效率 · 了解更高功率密度的需求如何推動(dòng)創(chuàng )新 · 了解功率MOSFET模塊的更多信息 |
