作者：Charles Keefer，高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

Allegro MicroSystems

在當(dāng)今多樣化的電動(dòng)工具市場(chǎng)中，廣泛的電池電壓和扭矩要求通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)使用不同的平臺(tái)來(lái)支持有限范圍的產(chǎn)品。如果使用一個(gè)單一的全行業(yè)平臺(tái)來(lái)服務(wù)于計(jì)劃的產(chǎn)品范圍，則可以從研發(fā)計(jì)劃中節(jié)省大量時(shí)間和成本。

一些電動(dòng)工具系列涵蓋12 V至24 V范圍，而其他電動(dòng)工具系列則涵蓋12 V至60 V范圍。如果包括草坪工具，范圍可以擴(kuò)展到80 V。隨著這些較高的工作電池電壓，更惡劣的環(huán)境在驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)上引入更大的負(fù)瞬變，因此需要多種印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)來(lái)自低功率和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片的抓取袋。通用無(wú)刷直流（BLDC）或半橋驅(qū)動(dòng)器芯片可以涵蓋市場(chǎng)上所有電動(dòng)工具設(shè)計(jì)的范圍，這將減少開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)新電動(dòng)工具所需的時(shí)間和精力，從而整合軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間和PCB設(shè)計(jì)/測(cè)試周期。

能夠?yàn)槭袌?chǎng)上各種電動(dòng)工具提供服務(wù)的單一平臺(tái)設(shè)計(jì)必須允許這些器件上的最大電壓范圍。許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器器件的最大電源電壓僅為40 V。這在大多數(shù)24 V或36 V系統(tǒng)中留出了足夠的裕量，無(wú)法提供堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，可以承受電機(jī)運(yùn)行期間電動(dòng)工具電壓電源上可能出現(xiàn)的苛刻電壓瞬變。具有更寬電源電壓范圍的獨(dú)立柵極驅(qū)動(dòng)器，可以承受這些瞬變（例如下面討論的50 V及以上柵極驅(qū)動(dòng)器），將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在大跨度電動(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)省。

對(duì)于更高功率的 48 V、60 V 或 80 V 系統(tǒng)，集成式三相 BLDC 的解決方案較少。當(dāng)電源通過(guò)緊湊型高壓半橋分布在電路板周?chē)鷷r(shí)，必要的電動(dòng)工具設(shè)計(jì)可能更容易實(shí)現(xiàn)。采用超小型3 mm × 3 mm DFN 封裝的 100 V 半橋?qū)⒂兄趯?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。寬電源電壓范圍允許用于小型12 V鉆頭電機(jī)或采用單PCB架構(gòu)的更強(qiáng)大的80 V串式微調(diào)器，其中 - 為了節(jié)省低功耗工具的成本 - 可以根據(jù)所需的功率水平更換各種MOSFET。

高端電動(dòng)工具通常支持延長(zhǎng)的工作時(shí)間或頻繁、快速、高功率脈沖的操作。它們的峰值扭矩額定值也可能超過(guò)1200 in-lb或130 N?m，通常在2000 rpm時(shí)計(jì)算。另一方面，電池供電的割草機(jī)需要的扭矩較小，但仍需要長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)行。這就決定了通用平臺(tái)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠驅(qū)動(dòng) 12 V、30 kW 峰值電鉆和 80 V、4.5 kW 割草機(jī)。當(dāng)兩個(gè)工具的常見(jiàn)扭矩額定值轉(zhuǎn)換為動(dòng)力時(shí)，駕駛員需要適應(yīng)的跨度顯示為：

功率 [kW] = （扭矩 [N?m] ×轉(zhuǎn)速 [rpm]）/9550

大功率鉆頭峰值示例：

功率 = （130 N?m × 2100 rpm）/9550 = 27.6 kW

低功率長(zhǎng)工期割草機(jī)示例：

功率 = （12 N?m × 3500 rpm）/9550 = 4.4 kW

上述功率電平?jīng)Q定了在任何給定系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)器和MOSFET。

大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)電壓在7 V至13 V之間。這些器件中常用的一些 MOSFET 的總柵極電荷在標(biāo)稱(chēng) 10 V 電壓下變化很大。薄型 40 V DFN MOSFET 的總柵極電荷可能為 65 nC，而 100 V MOSFET 的總柵極電荷可能僅為 35 nC。為確保支持工具陣容的全部功率譜，必須考慮驅(qū)動(dòng)器可以向MOSFET柵極提供的平均VREG電流，以將MOSFET保持在導(dǎo)通狀態(tài)。

還必須考慮最大拉電流和灌電流，以確保MOSFET快速通過(guò)米勒區(qū)域;然而，脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)頻率和MOSFET尺寸的限制因素將是驅(qū)動(dòng)器可以為柵極驅(qū)動(dòng)提供的平均電流。確定在給定PWM頻率下將MOSFET保持在導(dǎo)通狀態(tài)所需的必要平均VREG驅(qū)動(dòng)電流的公式為：

我平均[mA] = × fPWM [kHz] × QG（tot） [nC] × 1000 驅(qū)動(dòng) MOSFET 的數(shù)量

例如：

我（100V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 35 nC × 1000 = 4.2 mA

我（40V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 65 nC × 1000 = 8 mA

我（80V_FET，平均）= 6 × 20 kHz × 140 nC × 1000 = 17 mA

驅(qū)動(dòng)MOSFET的數(shù)量隨驅(qū)動(dòng)器方案而變化 - 六個(gè)用于正弦驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)用于梯形驅(qū)動(dòng)器，四個(gè)用于兩相正弦驅(qū)動(dòng)器。在本例中，20 kHz 用于將驅(qū)動(dòng)頻率保持在可聽(tīng)范圍之外。

圖 1：通用驅(qū)動(dòng)器 IREG 功能的圖形，以及在各種 PWM 頻率下保持 6 個(gè) 35 nC MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)所需的電流計(jì)算。

存在更多的MOSFET選項(xiàng)，總柵極電荷的值是無(wú)限的。關(guān)鍵的一點(diǎn)是，在任何系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員都必須在選擇驅(qū)動(dòng)器之前解決影響平均VREG驅(qū)動(dòng)器電流的組件之間的相互作用。使用總柵極電荷為65 nC（10 V）的MOSFET，IREG平均電流為15 mA（在20 kHz時(shí)驅(qū)動(dòng)）的驅(qū)動(dòng)器將為強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)提供充足的裕量。對(duì)低功耗工具使用相同的設(shè)計(jì)，MOSFET可以換成具有較高總柵極電荷的較低ID額定器件。

圖 2：功能強(qiáng)大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)靈活的 PCB 設(shè)計(jì)。

跨度為 12 V 至 80 V 范圍的系統(tǒng)需要具有更高電源額定值的驅(qū)動(dòng)器，以支持高功率 18 V 鉆機(jī)和 80 V 割草機(jī)。雖然合適的集成式三相 BLDC 驅(qū)動(dòng)器的選擇有限，但一組功能強(qiáng)大的 100 V 半橋可以滿(mǎn)足需求?？彀?A89500[1]是額定電壓為 100 V 的半橋，可驅(qū)動(dòng) 30 kW 或 4 kW 的系統(tǒng)。峰值灌電流和源電流足夠高，可以快速將 MOSFET 切換到導(dǎo)通狀態(tài)，并可通過(guò)外部電阻器輕松設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)高度靈活和魯棒的電磁兼容 （EMC） 設(shè)計(jì)。然后，獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電源支持在高電流 100% 占空比情況下保持 MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)所需的所有電流。

電動(dòng)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的下一個(gè)考慮因素是驅(qū)動(dòng)器的魯棒性。在高扭矩電機(jī)產(chǎn)生大瞬變的惡劣環(huán)境中，它將如何表現(xiàn)？

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器切換控制峰值功率額定值為30 kW的電機(jī)的MOSFET時(shí)，必然會(huì)發(fā)生較大的正負(fù)瞬態(tài)脈沖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在 MOSFET 電橋電源上放置多個(gè)電容器，也可以選擇具有同類(lèi)最佳瞬態(tài)保護(hù)并節(jié)省 PCB 空間和 BOM 成本的驅(qū)動(dòng)器。Allegro 電動(dòng)工具柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合—如 50 V 額定值的 A4919[2]以及 100 V 額定值的 A89500 — 提供直接內(nèi)置于電路中的同類(lèi)最佳的負(fù)瞬態(tài)保護(hù)。A89500 的高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出可承受 –18 V 至 100 V 的短時(shí)瞬變相連接上的電壓。A4919 和 A4915 [3]（用于低于40 V工具的類(lèi)似尺寸的設(shè)備）是電動(dòng)工具的流行選擇，在相位連接上也提供一流的負(fù)瞬態(tài)魯棒性。雖然該市場(chǎng)的其他一些選擇在相位連接時(shí)對(duì)–8 V具有魯棒性，但許多供應(yīng)商只能支持地電壓以下約2 V。這些不太堅(jiān)固的解決方案需要單獨(dú)的PCB設(shè)計(jì)，用于更苛刻的高功率工具或重要的保護(hù)電路，否則這些電路在電動(dòng)工具市場(chǎng)的低功耗端是不需要的。

圖 3：Allegro 和其他供應(yīng)商?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器的相位連接瞬態(tài)魯棒性和最大電源電壓額定值。

要確定支持一系列工具的設(shè)計(jì)的最佳驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)集成商必須考慮幾個(gè)問(wèn)題。產(chǎn)品陣容中所有工具的電池電壓范圍是多少？需要什么尺寸的MOSFET？是否會(huì)有額外的保護(hù)電路的空間，或者是否可以將其引入柵極驅(qū)動(dòng)器？

無(wú)論采用何種系統(tǒng)，目前都有可用的器件可以為電動(dòng)工具設(shè)計(jì)提供通用平臺(tái)。A4919 是一款小型直接驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器，具有堅(jiān)固的柵極驅(qū)動(dòng)電路，能夠支持大多數(shù)低于 40 V 的系統(tǒng)。A4915 是一款類(lèi)似尺寸的設(shè)備，適用于低于 40 V 的工具，具有集成的霍爾效應(yīng)傳感器電源和反饋以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制邏輯。A4915 的內(nèi)置控制邏輯通過(guò)簡(jiǎn)單的接口節(jié)省了空間，該接口可減輕電機(jī)控制算法的負(fù)擔(dān)。對(duì)于 12 V 至 80 V 范圍的工具組合，功能強(qiáng)大的小型 A89500 半橋是最佳選擇，可輕松驅(qū)動(dòng)具有高總柵極電荷的高功率 MOSFET 或小型多封裝低功耗 MOSFET。所有這些 器件 都 允許 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 人員 將 電動(dòng) 工具 陣容 精簡(jiǎn) 到 一個(gè) PCB， 從而 節(jié)省 測(cè)試 時(shí)間， 減輕 軟件 資源 的 負(fù)擔(dān)， 并 實(shí)現(xiàn) 更 快速 的 開(kāi)發(fā)。

審核編輯 黃昊宇