如何正確的為電機控制選擇合適的MOSFET

1.前言

這篇文章我們將開始研究特定終端應(yīng)用需要考慮哪些具體注意事項，首先從終端應(yīng)用中用于驅(qū)動電機的 FET 開始。電機控制是 30V-100V 分立式 MOSFET 的一個巨大（且快速增長）市場，特別是對于驅(qū)動直流電機的許多拓撲。在這里，我將重點介紹如何選擇正確的 FET 來驅(qū)動有刷、無刷和步進電機。雖然硬性規(guī)則很少，而且可能有無數(shù)種不同的方法，但我希望這篇文章能夠讓我們根據(jù)我們的最終應(yīng)用程序從哪里開始。

2. 電機驅(qū)動電路分析

①PWM信號輸入到柵極；高電平時，MOS管導通，電機轉(zhuǎn)動；低電平時，MOS管截止，電機停轉(zhuǎn)。注意，有的地方地方可能會在MCU信號與MOS管的柵極之間加一電阻。

②接線柱P3用于連接電機，并聯(lián)一個續(xù)流二極管（SD4）（要用肖特基二極管哦），防止方向電壓擊穿MOS管；再并聯(lián)一個濾波電容(C11)。

③PWM信號處接一下拉電阻(R13)（為了保持MOS管的輸入高阻抗的優(yōu)點，應(yīng)盡可能的選擇阻值較大的電阻），防止MCU上電誤動作。

3. MOSFET選擇參考條件

第一個也是最容易做出的選擇是我們需要什么擊穿電壓。由于電機控制的頻率往往較低，因此與電源應(yīng)用相比會導致較低的振鈴，因此輸入電源軌和 FET 擊穿之間的裕度往往會更大一些（通常以犧牲使用緩沖器）以獲得較低電阻的 FET。但一般來說，BV DSS和最大輸入電壓 V IN之間的 40% 緩沖并不是一個壞規(guī)則——根據(jù)我們預期的振鈴程度以及我們愿意用外部抑制振鈴的程度，給予或接受 10%被動元件。

選擇封裝類型可能是最關(guān)鍵的決定，完全取決于設(shè)計的功率密度要求（見圖 1）。低于 2A，F(xiàn)ET 最常（但并非總是）被吸收到驅(qū)動器集成電路 (IC) 中。對于步進電機和 10A 以下的低電流有刷和無刷應(yīng)用，小尺寸 PQFN 型器件（SON 2mm x 2mm、SON 3.3mm x 3.3mm）提供最佳功率密度。如果我們優(yōu)先考慮低成本而不是更高的功率密度，舊的 SOIC 型封裝可能會完成工作，但不可避免地會占用更多的印刷電路板 (PCB) 空間。

圖 1：用于驅(qū)動不同電機電流的各種封裝選項（封裝未按比例顯示）

小型電池供電工具和家用電器占據(jù)的 10A-30A 空間是 5mm x 6mm QFN 的最佳選擇。除此之外，更高電流的電源和園藝工具往往要么并聯(lián)多個 FET，要么采用更大的封裝器件（如 D2PAK）或通孔封裝（如 TO-220）。這些封裝可以容納更多的硅，從而實現(xiàn)更低的電阻、更高的電流能力和更好的熱性能。在大型散熱器上安裝通孔封裝會導致更多的損耗并允許耗散更多的功率。

設(shè)備可以耗散多少功率的問題取決于最終應(yīng)用的熱環(huán)境，因為它取決于 FET 的封裝。雖然表面貼裝器件通常通過 PCB 散發(fā)大部分熱量，但我們可以將其他封裝（如上述 TO-220 或 TI 的 DualCool? 功率塊器件（下圖 2））連接到散熱器上，以便將熱量從電路板上帶走并增加 FET 可以耗散的最大功率。

最后要看的是你應(yīng)該瞄準什么阻力。在某些方面，選擇 FET 來驅(qū)動電機比為電源選擇 FET 更簡單，因為較低的開關(guān)頻率決定了傳導損耗決定了熱性能。我并不是暗示我們可以完全忽略 P LOSS估計中的開關(guān)損耗。相反，我見過最壞的情況，其中開關(guān)損耗可占總 P LOSS 的30%在一個系統(tǒng)中。但是這些損耗仍然是傳導損耗的次要因素，因此不應(yīng)成為我們的首要考慮因素。圍繞超高失速電流設(shè)計的電動工具通常傾向于將 FET 推至其最大耐熱性，因此我們選擇的封裝中電阻最低的器件是一個不錯的起點。

在結(jié)束之前，我想回顧一下前面提到的電源塊設(shè)備。40V CSD88584Q5DC 和 60V CSD88599Q5DC 是兩個垂直集成的半橋解決方案，采用單個 5mm x 6mm QFN DualCool 封裝（見圖 2）。將傳統(tǒng)分立式 5mm x 6mm 器件提供的每占用面積低電阻加倍，同時為散熱器應(yīng)用提供暴露的金屬頂部，這些器件特別適合在空間中處理更高的電流（40A 及以上）-受限的應(yīng)用程序。

圖 2：堆疊芯片電源塊機械故障

在為我們的設(shè)計采用體積更大的 TO 封裝之前，可能值得在這些電源塊之一上運行數(shù)字，看看我們是否可以在 PCB 占用空間和散熱器尺寸上節(jié)省一些空間。問題？請隨時在下面發(fā)表評論。