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

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

本文討論了電動(dòng)工具對(duì)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(dòng)器的實(shí)例計(jì)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(dòng)工具選擇的廣泛性

一些電動(dòng)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(dòng)器輸出階段，需要多個(gè) PCB 設(shè)計(jì)，從抓斗袋的低功率和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

一個(gè)普通的無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)或半橋，如圖1所示的電源電路，跨越市場(chǎng)上所有電動(dòng)工具設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片，將減少開發(fā)和生產(chǎn)新電動(dòng)工具所需的時(shí)間和精力，整合軟件開發(fā)時(shí)間和 PCB 設(shè)計(jì)/測(cè)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(gè)平臺(tái)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(dòng)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(gè)堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，可以承受苛刻的電壓瞬變，可能會(huì)出現(xiàn)的電動(dòng)工具電壓供應(yīng)在電機(jī)運(yùn)行。

獨(dú)立柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器) ，這將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在大跨度電動(dòng)工具電池上實(shí)現(xiàn)通用設(shè)計(jì)的時(shí)間和資源節(jié)約。

對(duì)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(gè)應(yīng)用程序示例圖。

圖2. 一個(gè)80v 門驅(qū)動(dòng)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(shí)，必要的電動(dòng)工具設(shè)計(jì)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(dòng)器的計(jì)算

高端電動(dòng)工具往往支持延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)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(jì)算在2,000轉(zhuǎn)。

另一方面，電池驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)需要較少的扭矩，但仍然需要長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。這要求門驅(qū)動(dòng)器為一個(gè)共同的平臺(tái)需要能夠驅(qū)動(dòng)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(dòng)力時(shí)，駕駛員需要調(diào)節(jié)的跨度如下所示:

舉個(gè)例子，一個(gè)大功率鉆頭的峰值:

另一方面，一個(gè)低功耗、長(zhǎng)時(shí)間使用的割草機(jī)計(jì)算會(huì)得出以下結(jié)果:

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

大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器提供7 v 到13 v 的柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)低剖面的40 v 額定 DFN MOSFET 可能有一個(gè)總柵極電荷65 nC，而一個(gè)100 v 額定 MOSFET 可能有一個(gè)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(jì)人員必須調(diào)節(jié)平均 VREG 電流，驅(qū)動(dòng)器可以提供給 MOSFET 的柵極，使 MOSFET 處于通態(tài)。

此外，設(shè)計(jì)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(dòng)頻率和 MOSFET 尺寸將是平均 VREG 電流驅(qū)動(dòng)器可以提供的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)(Iavg)電流的方程是:

驅(qū)動(dòng)器方案驅(qū)動(dòng)的 mosfet 數(shù)量發(fā)生了變化:

六(6)用于正弦驅(qū)動(dòng)器

兩(2)用于梯形驅(qū)動(dòng)器

四(4)用于兩相正弦激勵(lì)

在這些例子中，一個(gè) 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(dòng)器提供的電流與驅(qū)動(dòng)器頻率之間的關(guān)系。

圖3。共同的驅(qū)動(dòng)器 IREG 功能圖和計(jì)算所需的電流，以維持六個(gè)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(dòng)6個(gè) mosfet 所需的電流。水平線顯示最大電流選擇的柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)人員必須在選擇驅(qū)動(dòng)程序之前處理影響平均 VREG 驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)前的組件之間的相互作用。使用一個(gè)65納米的 MOSFET 總柵極電荷在10伏和驅(qū)動(dòng)器的15毫安平均電流驅(qū)動(dòng)在20千赫茲將提供足夠的余地強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器。

使用相同的設(shè)計(jì)為一個(gè)低功率的工具，MOSFET 可以與一個(gè)較低的 id 級(jí)設(shè)備交換與較高的總門電荷，一個(gè)高水平的例子如圖4所示。

圖4. 一個(gè)高級(jí)的例子，顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如何能夠靈活的 PCB 設(shè)計(jì)

電動(dòng)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下一個(gè)考慮因素是驅(qū)動(dòng)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(dòng)器開關(guān)用于控制峰值功率為30千瓦的電機(jī)的 mosfet 時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生大的正負(fù)瞬態(tài)脈沖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)器是有限的，一套有能力的100伏半橋可以滿足需要。

為電動(dòng)工具設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)例子產(chǎn)品是 Allegro A89500，一個(gè)100 v 級(jí)的半橋，可以驅(qū)動(dòng)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(jì)。獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)工具門驅(qū)動(dòng)器組合——如50 v 級(jí)的 a4919和100 v 級(jí)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(gè)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(dòng)器的最大電源電壓額定值

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

雖然這個(gè)市場(chǎng)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(jiān)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(jì)，否則在電動(dòng)工具市場(chǎng)的低功率端將不需要這些設(shè)計(jì)。

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

A4915是一個(gè)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(dòng)控制邏輯。該 a4915的內(nèi)置控制邏輯節(jié)省空間與簡(jiǎn)單的接口，卸載電機(jī)控制算法。

對(duì)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(dòng)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(jì)人員將電動(dòng)工具陣容壓縮到一個(gè) PCB 上，這樣可以節(jié)省測(cè)試時(shí)間，減少軟件資源，使開發(fā)更快。
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