低功率和大功率柵極驅(qū)動器的實(shí)例計算

有了這么多的強(qiáng)力工具選項(xiàng)，設(shè)計兼容性可能是一個斗爭。了解更多關(guān)于利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)的挑戰(zhàn)

在當(dāng)今的電動工具市場上，電池電壓和扭矩要求的范圍很廣，這常常導(dǎo)致設(shè)計使用不同的平臺來支持范圍有限的產(chǎn)品，這可能會帶來各種兼容性的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，如果使用一個單一的行業(yè)范圍的平臺來為計劃的產(chǎn)品范圍服務(wù)，可以從研究和開發(fā)計劃中節(jié)省大量的時間和成本。

本文討論了電動工具對電壓和轉(zhuǎn)矩的要求范圍，并給出了低功率和大功率柵極驅(qū)動器的實(shí)例計算。此外，它旨在解釋如何解釋大相徑庭的散熱器的要求，數(shù)量的 mosfet 正在使用，等等。

電動工具選擇的廣泛性

一些電動工具陣容跨越12v 到24v 的范圍，而其他跨越12v 到60v 的范圍(甚至高達(dá)80v 與一些草坪工具)。隨著這些更高的操作電池電壓來嚴(yán)酷的環(huán)境，引入更大的負(fù)瞬變的驅(qū)動器輸出階段，需要多個 PCB 設(shè)計，從抓斗袋的低功率和高功率電機(jī)驅(qū)動芯片。

一個普通的無刷直流電動機(jī)(BLDC)或半橋，如圖1所示的電源電路，跨越市場上所有電動工具設(shè)計的驅(qū)動芯片，將減少開發(fā)和生產(chǎn)新電動工具所需的時間和精力，整合軟件開發(fā)時間和 PCB 設(shè)計/測試周期。

圖1. 半橋 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.

這樣一個平臺必須考慮到這些設(shè)備之間的全部最大電壓范圍: 例如，許多電機(jī)驅(qū)動設(shè)備的最大供電電壓只有40 v。這并沒有留下足夠的余地，在大多數(shù)24伏特或36伏特的系統(tǒng)，以提供一個堅固的設(shè)計，可以承受苛刻的電壓瞬變，可能會出現(xiàn)的電動工具電壓供應(yīng)在電機(jī)運(yùn)行。

獨(dú)立柵極驅(qū)動器具有更寬的電源電壓范圍，可以承受這些瞬變(如下面討論的50v 和更高的柵極驅(qū)動器) ，這將使系統(tǒng)設(shè)計人員在大跨度電動工具電池上實(shí)現(xiàn)通用設(shè)計的時間和資源節(jié)約。

對于功率較大的48v、60v 或80v 系統(tǒng)，集成三相 bldc 的解決方案較少。圖2顯示了一個應(yīng)用程序示例圖。

圖2. 一個80v 門驅(qū)動程序的應(yīng)用程序示例圖

當(dāng)電力分布在緊湊的高壓半橋的電路板周圍時，必要的電動工具設(shè)計可能更容易實(shí)現(xiàn)。超小型3mm × 3mm DFN 封裝中的100v 半橋可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

寬電源電壓范圍可用于小型12v 鉆機(jī)或功率更大的80v 單 PCB 架構(gòu)的管線修整器，為了節(jié)省低功耗工具的成本，可以根據(jù)需要的功率水平進(jìn)出各種 mosfet。

大功率、小功率門極驅(qū)動器的計算

高端電動工具往往支持延長作業(yè)時間或作業(yè)頻繁，快速，高功率的爆發(fā)。他們也可能有峰值扭矩額定超過1200在-磅或130牛米，通常計算在2,000轉(zhuǎn)。

另一方面，電池驅(qū)動的割草機(jī)需要較少的扭矩，但仍然需要長時間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。這要求門驅(qū)動器為一個共同的平臺需要能夠驅(qū)動12伏，30千瓦峰值電鉆和80伏，4.5千瓦割草機(jī)。

當(dāng)兩種工具的共同額定扭矩轉(zhuǎn)換為動力時，駕駛員需要調(diào)節(jié)的跨度如下所示:

舉個例子，一個大功率鉆頭的峰值:

另一方面，一個低功耗、長時間使用的割草機(jī)計算會得出以下結(jié)果:

以上的功率水平是需要設(shè)計師來確定什么驅(qū)動器和 MOSFET 使用在任何給定的系統(tǒng)。在使用各種電動工具時，適當(dāng)考慮這里的廣泛結(jié)果是設(shè)計過程中的關(guān)鍵步驟。

大多數(shù)驅(qū)動器提供7 v 到13 v 的柵極驅(qū)動電壓?？倴艠O電荷是衡量需要多少電流來開啟 MOSFET，它在最常用的 MOSFET 中變化很大，在其標(biāo)稱的10 v。一個低剖面的40 v 額定 DFN MOSFET 可能有一個總柵極電荷65 nC，而一個100 v 額定 MOSFET 可能有一個總柵極電荷只有35 nC。

為了確保支持全功率譜的工具陣容，設(shè)計人員必須調(diào)節(jié)平均 VREG 電流，驅(qū)動器可以提供給 MOSFET 的柵極，使 MOSFET 處于通態(tài)。

此外，設(shè)計人員必須考慮最大源和匯電流，以確保 MOSFET 快速通過密勒區(qū)，但限制因素的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動頻率和 MOSFET 尺寸將是平均 VREG 電流驅(qū)動器可以提供的柵極驅(qū)動器。

確定在給定的 PWM 頻率下保持 mosfet 處于通態(tài)所需的平均 VREG 驅(qū)動(Iavg)電流的方程是:

驅(qū)動器方案驅(qū)動的 mosfet 數(shù)量發(fā)生了變化:

六(6)用于正弦驅(qū)動器

兩(2)用于梯形驅(qū)動器

四(4)用于兩相正弦激勵

在這些例子中，一個 PWM 頻率被設(shè)置在20千赫以上的可聽范圍。

圖3中的下圖顯示了由柵極驅(qū)動器提供的電流與驅(qū)動器頻率之間的關(guān)系。

圖3。共同的驅(qū)動器 IREG 功能圖和計算所需的電流，以維持六個35數(shù)控 mosfet 在不同的 PWM 頻率

使用以上的平均電流公式，我們可以看到什么頻率可以支持選定數(shù)量的 MOSFET 和選定的 MOSFET 柵電荷值。在 IREG 線上的點(diǎn)顯示了在不同頻率正弦模式下驅(qū)動6個 mosfet 所需的電流。水平線顯示最大電流選擇的柵極驅(qū)動器可以提供的參考線。

存在更多的 MOSFET 選項(xiàng)，總柵極電荷的值是無限的。關(guān)鍵的一點(diǎn)是，在任何系統(tǒng)中，設(shè)計人員必須在選擇驅(qū)動程序之前處理影響平均 VREG 驅(qū)動程序當(dāng)前的組件之間的相互作用。使用一個65納米的 MOSFET 總柵極電荷在10伏和驅(qū)動器的15毫安平均電流驅(qū)動在20千赫茲將提供足夠的余地強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器。

使用相同的設(shè)計為一個低功率的工具，MOSFET 可以與一個較低的 id 級設(shè)備交換與較高的總門電荷，一個高水平的例子如圖4所示。

圖4. 一個高級的例子，顯示了電機(jī)驅(qū)動器如何能夠靈活的 PCB 設(shè)計

電動工具系統(tǒng)設(shè)計的下一個考慮因素是驅(qū)動器的魯棒性。它將如何執(zhí)行在惡劣的環(huán)境與大瞬變產(chǎn)生的高扭矩電機(jī)？

當(dāng)驅(qū)動器開關(guān)用于控制峰值功率為30千瓦的電機(jī)的 mosfet 時，必然會產(chǎn)生大的正負(fù)瞬態(tài)脈沖。系統(tǒng)設(shè)計者可以在 MOSFET 橋接電源上安裝大量的電容器，或者選擇具有內(nèi)置瞬態(tài)保護(hù)的驅(qū)動器，從而節(jié)省 PCB 空間和 BOM 成本。

Allegro MicroSystem's的 Gate Driver Portfolio

系統(tǒng)，跨越12v 到80v 的范圍往往需要一個司機(jī)與較高的供應(yīng)額定值，支持高功率18v 鉆頭和80v 割草機(jī)。雖然選擇合適的集成三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動器是有限的，一套有能力的100伏半橋可以滿足需要。

為電動工具設(shè)計考慮的一個例子產(chǎn)品是 Allegro A89500，一個100 v 級的半橋，可以驅(qū)動系統(tǒng)高達(dá)30千瓦。峰值匯和源電流足夠高，可以快速切換到開啟狀態(tài)的 mosfet 和可以很容易地設(shè)置與外部電阻高靈活性和強(qiáng)大的電磁兼容(EMC)設(shè)計。獨(dú)立的柵極驅(qū)動器供應(yīng)然后支持所有需要的電流，以保持在高電流100% 占空比情況下的 mosfet 在通態(tài)。

Allegro 的電動工具門驅(qū)動器組合——如50 v 級的 a4919和100 v 級的 a89500——提供了直接嵌入電路的負(fù)面瞬態(tài)保護(hù)。如下圖5所示，是一個圖表。

相位連接暫態(tài)魯棒性和 Allegro 和其他供應(yīng)商門驅(qū)動器的最大電源電壓額定值

A89500的高側(cè)柵極驅(qū)動器輸出可以在18 v 到100 v 的短時瞬態(tài)相位連接上承受電壓。

雖然這個市場的一些其他選擇是健壯的 ~ 8 v 在相位連接，許多廠商只能支持 ~ 2 v 地下。這些不那么堅固的解決方案將需要為更加粗糙的大功率工具或重要的保護(hù)電路進(jìn)行單獨(dú)的多氯聯(lián)苯設(shè)計，否則在電動工具市場的低功率端將不需要這些設(shè)計。

不管是什么系統(tǒng)，目前可以使用的設(shè)備可以為電動工具設(shè)計提供一個公共平臺。該 a4919是一個小型直接驅(qū)動門驅(qū)動器與強(qiáng)大的門驅(qū)動電路能夠支持大多數(shù)系統(tǒng)低于40伏。

A4915是一個類似大小的設(shè)備為亞40 v 工具和功能集成霍爾效應(yīng)傳感器供應(yīng)和反饋電機(jī)驅(qū)動控制邏輯。該 a4915的內(nèi)置控制邏輯節(jié)省空間與簡單的接口，卸載電機(jī)控制算法。

對于跨度從12 v 到80 v 的工具組合，小型和能力的 a89500半橋是最佳選擇，容易驅(qū)動高總柵極電荷大功率 mosfet 或小型多組低功率 mosfet。所有這些設(shè)備的目的都是讓系統(tǒng)設(shè)計人員將電動工具陣容壓縮到一個 PCB 上，這樣可以節(jié)省測試時間，減少軟件資源，使開發(fā)更快。
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