使用電源模塊提高電動工具設計的性能
電動工具、園藝工具和吸塵器等家用電器使用由低壓（2 至10 節）鋰離子電池供電的電機。這些工具使用有刷直流(BDC) 或三相無刷直流(BLDC) 電機。 BLDC 電機具有更高的效率、更少的維護、更低的噪音和更長的使用壽命。
驅動電機功率級最重要的性能要求是體積小、效率高、散熱好、保護可靠、峰值電流承載能力強。小尺寸可實現工具內功率級的靈活安裝、更好的電路板布局性能和低成本設計。高效率可最大限度地延長電池壽命並減少冷卻工作。可靠的運行和保護可延長使用壽命並有助於提高產品聲譽。
要雙向驅動BDC 電機，需要使用兩個半橋（四個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)）來形成全橋。為了驅動三相BLDC 電機，需要使用三個半橋（六個MOSFET）來形成三相逆變器。
使用TI 具有堆疊芯片架構的CSD88584Q5DC 和CSD88599Q5DC 電源模塊（小型無引線(SON)、5mm 6mm 封裝），您可以在兩個電源模塊之間運行三相BLDC 電機，其中有兩個電源模塊和隻有三個電源模塊。方向驅動電機，如圖1所示。每個功率模塊連接兩個MOSFET（高側和低側MOSFET），形成半橋。
圖1：不同電機驅動拓撲中的功率塊MOSFET
讓我們來看看這些電源模塊可以為無繩工具電機驅動子係統的設計帶來的優勢。
功率密度加倍
CSD885x 電源模塊中的雙堆疊芯片技術可將印刷電路板(PCB) 麵積擴大一倍，與分立MOSFET 相比，將PCB 占用麵積減少50%。
與相同性能水平(5mm x 6mm) 的分立MOSFET 相比，在同一封裝中集成兩個FET 的電源塊將逆變器拓撲的三相PCB 麵積減少了90mm2 (3 x 5mm-6mm)。 MOSFET 互連走線將與在具有分立MOSFET 的PCB 中運行相同，更高的工作電流也需要更寬的PCB 走線，因此節省的PCB 尺寸實際上遠遠超過90mm2。大多數無繩電動工具應用至少使用銅厚度大於2 盎司的四層PCB。因此，通過電源模塊節省PCB尺寸可以顯著節省PCB成本。
具有低寄生效應的清潔MOSFET 開關
圖2 顯示了功率級PCB 設計中由元件引線和未優化布局引起的寄生電感和電容。這些PCB 寄生效應會導致電壓振鈴，從而對MOSFET 造成電壓應力。
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複。快速開關引起的高電流變化率會導致高二極管反向恢複電流。反向恢複電流流過寄生布局電感。由FET 電容和寄生電感形成的諧振網絡會導致相位節點振鈴，從而降低電壓裕度並增加器件應力。圖3 顯示了由於電路寄生效應而導致分立MOSFET 的相節點電壓振鈴。
使用電源模塊時，使用連接兩個MOSFET 的開關節點鉗位可將高側和低側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 寄生效應並減少相節點電壓振鈴。使用這些電源模塊有助於確保MOSFET 開關的平穩驅動，即使在高達50A 的電流下也不會出現電壓過衝，如圖4 所示。
圖3：分立MOSFET 的相節點電壓振鈴和電壓過衝
圖4：帶電源模塊的清潔相節點開關波形
PCB損耗低，降低PCB寄生電阻
電源塊有助於縮短PCB 中高載流走線的長度，從而減少走線中的功率損耗。
讓我們了解分立FET 的PCB 導軌要求。頂部和底部分立MOSFET 之間的PCB 導軌連接會導致PCB 中的I2R 損耗。圖5顯示了頂部和底部分立MOSFET並排連接時的銅走線；這是常見的布局之一，可以輕鬆地將電機繞組連接到PCB。連接相節點的銅區域的長度是寬度的兩倍（走線寬度取決於電流，走線寬度通常受到板的形狀因數的限製）。或者，您可以將頂部和底部分立MOSFET 排列在彼此的上方和下方，將它們保持在相節點之間。但由於需要將電機繞組連接到相節點，您可能無法減少軌道長度，並且這種布置可能並不適合所有應用。
如果PCB銅厚設計為2oz（70m），則連接圖5所示相位節點的單層PCB走線的電阻約為0.24m。假設兩個PCB 平麵均存在走線，則等效PCB 電阻為0.12m。對於三相功率級，您有三個這樣的PCB 走線。您可以對直流電源輸入和返回軌執行類似的分析。
該電源模塊在單個封裝中具有頂側和底側MOSFET，相位節點通過封裝內的金屬夾連接，從而優化寄生電阻並提供布局靈活性，並節省至少0.5 至1m 的PCB 總電阻。
圖5：采用分立MOSFET 的典型相節點走線長度
散熱性能優良，雙重冷卻
CSD885x 電源模塊采用DualCool 封裝，可在封裝頂部進行散熱，以將熱量從電路板散發出去，從而在5mm 6mm 封裝中提供出色的熱性能並提高功率。根據數據表規格，該電源塊的結點至外殼熱阻為1.1C/W，結點至頂部外殼熱阻為2.1C/W。您可以優化電源塊底殼中的PCB 或電源塊頂蓋中的散熱器的冷卻功能。圖6 顯示了頂部共用散熱器（27mm 氣流）的測試結果。測試期間，在散熱器和電源塊頂殼之間使用了低熱阻(R0.5C/W) 的電絕緣熱界麵。
圖6：顯示有效頂部冷卻的電路板熱圖像
在圖6 中，您可以看到頂部冷卻的有效性，其中PCB（電源塊底殼下方）觀察到的最高溫度與散熱器溫度之間的差異小於11C。熱量通過電源模塊的頂部冷卻金屬墊良好傳導並分布到頂部散熱器。
頂部和底部FET 之間的熱共享
在單相或三相逆變器中，頂側和底側MOSFET 的損耗可能不同。這些損耗通常取決於脈寬調製拓撲的類型和工作占空比。不同的損耗導致頂側和底側MOSFET 的發熱程度不同。在係統設計中使用分立MOSFET 時，您可以嚐試以下不同的方法來平衡頂部和底部FET 之間的溫度：
對MOSFET采用不同的冷卻區域，並為損耗較大的MOSFET提供更多的PCB銅麵積或散熱器。
根據額定電流，對頂部和底部MOSFET 使用不同的器件。例如，您可以將導通電阻(R DS_ON) 較小的器件用於承載更大電流的MOSFET。
當MOSFET 變熱時，這些方法無法提供最佳冷卻（具體取決於工作占空比），從而導致PCB 麵積或MOSFET 額定值利用率不足。使用功率塊MOSFET（其中頂側MOSFET 和底側MOSFET 位於同一封裝中）可實現頂側MOSFET 和底側MOSFET 之間的自動熱量共享，並提供更好的熱性能和優化的係統性能。
係統成本低
通過在設計中使用功率塊MOSFET 可以優化係統成本。如果實現本博文中描述的所有好處，則可以降低成本：
解決方案尺寸減半，大幅降低PCB成本。
低寄生效應可提供更可靠的解決方案、更長的使用壽命和更少的維護。
減少PCB走線長度可降低PCB電阻，從而通過更小的散熱器減少損耗並提高效率。
優良的熱性能提高冷卻效果。
MOSFET 電源塊有助於實現更可靠、更小尺寸、更高效率和更具成本競爭力的係統解決方案。
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