作者：Charles Keefer，高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師

Allegro MicroSystems

在當今多樣化的電動工具市場中，廣泛的電池電壓和扭矩要求通常會導(dǎo)致設(shè)計使用不同的平臺來支持有限范圍的產(chǎn)品。如果使用一個單一的全行業(yè)平臺來服務(wù)于計劃的產(chǎn)品范圍，則可以從研發(fā)計劃中節(jié)省大量時間和成本。

一些電動工具系列涵蓋12 V至24 V范圍，而其他電動工具系列則涵蓋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)動器輸出級上引入更大的負瞬變，因此需要多種印刷電路板（PCB）設(shè)計，這些設(shè)計來自低功率和高功率電機驅(qū)動器芯片的抓取袋。通用無刷直流（BLDC）或半橋驅(qū)動器芯片可以涵蓋市場上所有電動工具設(shè)計的范圍，這將減少開發(fā)和生產(chǎn)新電動工具所需的時間和精力，從而整合軟件開發(fā)時間和PCB設(shè)計/測試周期。

能夠為市場上各種電動工具提供服務(wù)的單一平臺設(shè)計必須允許這些器件上的最大電壓范圍。許多電機驅(qū)動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，無法提供堅固的設(shè)計，可以承受電機運行期間電動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立柵極驅(qū)動器，可以承受這些瞬變（例如下面討論的50 V及以上柵極驅(qū)動器），將使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠在大跨度電動工具電池上實現(xiàn)通用設(shè)計的時間和資源節(jié)省。

對于更高功率的 48 V、60 V 或 80 V 系統(tǒng)，集成式三相 BLDC 的解決方案較少。當電源通過緊湊型高壓半橋分布在電路板周圍時，必要的電動工具設(shè)計可能更容易實現(xiàn)。采用超小型3 mm × 3 mm DFN 封裝的 100 V 半橋?qū)⒂兄趯崿F(xiàn)這一目標。寬電源電壓范圍允許用于小型12 V鉆頭電機或采用單PCB架構(gòu)的更強大的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。

高端電動工具通常支持延長的工作時間或頻繁、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1200 in-lb或130 N?m，通常在2000 rpm時計算。另一方面，電池供電的割草機需要的扭矩較小，但仍需要長時間高速運行。這就決定了通用平臺的柵極驅(qū)動器需要能夠驅(qū)動 12 V、30 kW 峰值電鉆和 80 V、4.5 kW 割草機。當兩個工具的常見扭矩額定值轉(zhuǎn)換為動力時，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

低功率長工期割草機示例：

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)動器和MOSFET。

大多數(shù)驅(qū)動器的柵極驅(qū)動電壓在7 V至13 V之間。這些器件中常用的一些 MOSFET 的總柵極電荷在標稱 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快速通過米勒區(qū)域;然而，脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動頻率和MOSFET尺寸的限制因素將是驅(qū)動器可以為柵極驅(qū)動提供的平均電流。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)動電流的公式為：

我平均[mA] = × fPWM [kHz] × QG（tot） [nC] × 1000 驅(qū)動 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MOSFET的數(shù)量隨驅(qū)動器方案而變化 - 六個用于正弦驅(qū)動器，兩個用于梯形驅(qū)動器，四個用于兩相正弦驅(qū)動器。在本例中，20 kHz 用于將驅(qū)動頻率保持在可聽范圍之外。

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

存在更多的MOSFET選項，總柵極電荷的值是無限的。關(guān)鍵的一點是，在任何系統(tǒng)中，設(shè)計人員都必須在選擇驅(qū)動器之前解決影響平均VREG驅(qū)動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時驅(qū)動）的驅(qū)動器將為強大的柵極驅(qū)動提供充足的裕量。對低功耗工具使用相同的設(shè)計，MOSFET可以換成具有較高總柵極電荷的較低ID額定器件。

圖 2：功能強大的電機驅(qū)動器可實現(xiàn)靈活的 PCB 設(shè)計。

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)動器，以支持高功率 18 V 鉆機和 80 V 割草機。雖然合適的集成式三相 BLDC 驅(qū)動器的選擇有限，但一組功能強大的 100 V 半橋可以滿足需求。快板 A89500[1]是額定電壓為 100 V 的半橋，可驅(qū)動 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)，并可通過外部電阻器輕松設(shè)置，從而實現(xiàn)高度靈活和魯棒的電磁兼容 （EMC） 設(shè)計。然后，獨立的柵極驅(qū)動電源支持在高電流 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。

電動工具系統(tǒng)設(shè)計中的下一個考慮因素是驅(qū)動器的魯棒性。在高扭矩電機產(chǎn)生大瞬變的惡劣環(huán)境中，它將如何表現(xiàn)？

當驅(qū)動器切換控制峰值功率額定值為30 kW的電機的MOSFET時，必然會發(fā)生較大的正負瞬態(tài)脈沖。系統(tǒng)設(shè)計人員可以在 MOSFET 電橋電源上放置多個電容器，也可以選擇具有同類最佳瞬態(tài)保護并節(jié)省 PCB 空間和 BOM 成本的驅(qū)動器。Allegro 電動工具柵極驅(qū)動器產(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)置于電路中的同類最佳的負瞬態(tài)保護。A89500 的高側(cè)柵極驅(qū)動器輸出可承受 –18 V 至 100 V 的短時瞬變相連接上的電壓。A4919 和 A4915 [3]（用于低于40 V工具的類似尺寸的設(shè)備）是電動工具的流行選擇，在相位連接上也提供一流的負瞬態(tài)魯棒性。雖然該市場的其他一些選擇在相位連接時對–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。這些不太堅固的解決方案需要單獨的PCB設(shè)計，用于更苛刻的高功率工具或重要的保護電路，否則這些電路在電動工具市場的低功耗端是不需要的。

圖 3：Allegro 和其他供應(yīng)商柵極驅(qū)動器的相位連接瞬態(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)計的最佳驅(qū)動程序，系統(tǒng)集成商必須考慮幾個問題。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？是否會有額外的保護電路的空間，或者是否可以將其引入柵極驅(qū)動器？

無論采用何種系統(tǒng)，目前都有可用的器件可以為電動工具設(shè)計提供通用平臺。A4919 是一款小型直接驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動器，具有堅固的柵極驅(qū)動電路，能夠支持大多數(shù)低于 40 V 的系統(tǒng)。A4915 是一款類似尺寸的設(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驅(qū)動控制邏輯。A4915 的內(nèi)置控制邏輯通過簡單的接口節(jié)省了空間，該接口可減輕電機控制算法的負擔。對于 12 V 至 80 V 范圍的工具組合，功能強大的小型 A89500 半橋是最佳選擇，可輕松驅(qū)動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 人員 將 電動 工具 陣容 精簡 到 一個 PCB， 從而 節(jié)省 測試 時間， 減輕 軟件 資源 的 負擔， 并 實現(xiàn) 更 快速 的 開發(fā)。

審核編輯 黃昊宇