電動工具、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。這些工具使用有刷直流(BDC)或三相無刷直流(BLDC)電機。BLDC電機效率更高、維護少、噪音小、使用壽命更長。

驅動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。高效率可提供最長的電池壽命并減少冷卻工作。可靠的操作和保護可延長使用壽命，有助于提高產品聲譽。

為在兩個方向上驅動BDC電機，您需要使用兩個半橋(四個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET))組成一個全橋。要驅動三相BLDC電機，需要使用三個半橋(六個MOSFET)組成一個三相逆變器。

使用TI的采用堆疊管芯架構的CSD88584Q5DC和CSD88599Q5DC電源模塊(小型無引線(SON)，5mm6mm封裝)，您可通過兩個電源模塊和只帶三個電源模塊的三相BLDC電機在兩個方向驅動電機，如圖1所示。每個電源模塊連接兩個MOSFET(高側和低側MOSFET)，組成一個半橋。

圖1：不同電機驅動拓撲中的功率塊MOSFET

我們來看看這些功率塊可帶給無繩工具電機驅動子系統設計的優勢。

功率密度倍增

CSD885x功率塊中的雙重堆疊芯片技術使印刷電路板(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(5mm6mm)相比，在同一封裝中集成兩個FET的功率塊可讓用于逆變器拓撲的三相pCB面積減少90mm2(3x5mm-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尺寸的節省值實際上遠超90mm2。大多數無繩電動工具應用至少使用四層pCB，銅厚度大于2盎司。因此，通過電源模塊節省pCB尺寸可大大節省pCB成本。

具有低寄生效應的清潔MOSFET開關

圖2所示為功率級pCB設計中由元件引線和非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。由快速開關引起的高電流變化率可能導致高二極管反向恢復電流。反向恢復電流流經寄生布局電感。由FET電容和寄生電感形成的諧振網絡引起相位節點振鈴，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的相位節點電壓振鈴。

使用電源模塊時，具有連接兩個MOSFET的開關節點夾將高側和低側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，并減少相節點電壓振鈴。使用這些電源模塊有助于確保平滑的驅動MOSFET開關，即使在電流高達50A時也不會出現電壓過沖，如圖4所示。

圖3：具有分立MOSFET的相節點電壓振鈴和電壓過沖

圖4：帶有電源模塊的清潔相位節點切換波形

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并排連接時的銅軌道;這是可將電機繞組連輕松連接到pCB的常見布局之一。連接相位節點的銅面積的長度為寬度的兩倍(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)。或者，您可以上下排列頂側和底側分立MOSFET，保持在相位節點之間。但是由于需要提供將電機繞組連接到相位節點，您可能無法減少軌道長度，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(70m)，則連接圖5所示的相位節點的單層pCB軌道將具有約0.24m的電阻。假設軌道存在于兩個pCB平面中，則等效pCB電阻為0.12m。對于三相功率級，您有三個這樣的pCB軌道。您也可對直流電源輸入和返回軌道進行類似的分析。

電源模塊具有單個封裝中的頂側和底側MOSFET，以及通過封裝內的金屬夾連接的相位節點，可優化寄生電阻，并為布局提供靈活性，并可節省最小的0.5至1m的總pCB電阻。

圖5：具有分立MOSFET的典型相位節點軌道長度

卓越的散熱性能，雙重冷卻

CSD885x電源模塊采用DualCool?封裝，可在封裝頂部實現散熱，從而將熱量從電路板上散開，提供出色的散熱性能，并提高在5mm6mm封裝中的功率。根據數據手冊規范，功率塊具有1.1C/W的結到底殼體熱阻，和2.1C/W的結到頂殼體的熱阻。您可優化功率塊底殼的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(36mm50mm)內使用三個CSD88599Q5DC雙冷60V電源模塊測試的頂側公共散熱器(27mm27mm23mm)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

技術專區220V交流電轉化為12V直流電參考設計電源實時準確進行設計數據同步方案三極管2N3055組成的簡易DCDC降壓電路圖（電感降壓式/線性穩壓電可用于高電壓測試的有源負載國內鋰電池三元材料專利技術布局現狀究竟如何