作者：Charles Keefer，高級現場應用工程師

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致設計使用不同的平臺來支持有限范圍的產品。如果使用一個單一的全行業平臺來服務于計劃的產品范圍，則可以從研發計劃中節省大量時間和成本。

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，更惡劣的環境在驅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）設計，這些設計來自低功率和高功率電機驅動器芯片的抓取袋。通用無刷直流（BLDC）或半橋驅動器芯片可以涵蓋市場上所有電動工具設計的范圍，這將減少開發和生產新電動工具所需的時間和精力，從而整合軟件開發時間和PCB設計/測試周期。

能夠為市場上各種電動工具提供服務的單一平臺設計必須允許這些器件上的最大電壓范圍。許多電機驅動器器件的最大電源電壓僅為40 V。這在大多數24 V或36 V系統中留出了足夠的裕量，無法提供堅固的設計，可以承受電機運行期間電動工具電壓電源上可能出現的苛刻電壓瞬變。具有更寬電源電壓范圍的獨立柵極驅動器，可以承受這些瞬變（例如下面討論的50 V及以上柵極驅動器），將使系統設計人員能夠在大跨度電動工具電池上實現通用設計的時間和資源節省。

對于更高功率的 48 V、60 V 或 80 V 系統，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，必要的電動工具設計可能更容易實現。采用超小型3 mm × 3 mm DFN 封裝的 100 V 半橋將有助于實現這一目標。寬電源電壓范圍允許用于小型12 V鉆頭電機或采用單PCB架構的更強大的80 V串式微調器，其中 - 為了節省低功耗工具的成本 - 可以根據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動器需要能夠驅動 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換為動力時，駕駛員需要適應的跨度顯示為：

功率 [kW] = （扭矩 [N?m] ×轉速 [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

上述功率電平決定了在任何給定系統中使用的驅動器和MOSFET。

大多數驅動器的柵極驅動電壓在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，必須考慮驅動器可以向MOSFET柵極提供的平均VREG電流，以將MOSFET保持在導通狀態。

還必須考慮最大拉電流和灌電流，以確保MOSFET快速通過米勒區域;然而，脈寬調制（PWM）驅動頻率和MOSFET尺寸的限制因素將是驅動器可以為柵極驅動提供的平均電流。確定在給定PWM頻率下將MOSFET保持在導通狀態所需的必要平均VREG驅動電流的公式為：

我平均[mA] = × fPWM [kHz] × QG（tot） [nC] × 1000 驅動 MOSFET 的數量

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

驅動MOSFET的數量隨驅動器方案而變化 - 六個用于正弦驅動器，兩個用于梯形驅動器，四個用于兩相正弦驅動器。在本例中，20 kHz 用于將驅動頻率保持在可聽范圍之外。

圖 1：通用驅動器 IREG 功能的圖形，以及在各種 PWM 頻率下保持 6 個 35 nC MOSFET 導通狀態所需的電流計算。

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

圖 2：功能強大的電機驅動器可實現靈活的 PCB 設計。

跨度為 12 V 至 80 V 范圍的系統需要具有更高電源額定值的驅動器，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，可驅動 30 kW 或 4 kW 的系統。峰值灌電流和源電流足夠高，可以快速將 MOSFET 切換到導通狀態，并可通過外部電阻器輕松設置，從而實現高度靈活和魯棒的電磁兼容 （EMC） 設計。然后，獨立的柵極驅動電源支持在高電流 100% 占空比情況下保持 MOSFET 處于導通狀態所需的所有電流。

電動工具系統設計中的下一個考慮因素是驅動器的魯棒性。在高扭矩電機產生大瞬變的惡劣環境中，它將如何表現？

當驅動器切換控制峰值功率額定值為30 kW的電機的MOSFET時，必然會發生較大的正負瞬態脈沖。系統設計人員可以在 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保護并節省 PCB 空間和 BOM 成本的驅動器。Allegro 電動工具柵極驅動器產品組合—如 50 V 額定值的 A4919[2]以及 100 V 額定值的 A89500 — 提供直接內置于電路中的同類最佳的負瞬態保護。A89500 的高側柵極驅動器輸出可承受 –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 和其他供應商柵極驅動器的相位連接瞬態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計的最佳驅動程序，系統集成商必須考慮幾個問題。產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動器？

無論采用何種系統，目前都有可用的器件可以為電動工具設計提供通用平臺。A4919 是一款小型直接驅動柵極驅動器，具有堅固的柵極驅動電路，能夠支持大多數低于 40 V 的系統。A4915 是一款類似尺寸的設備，適用于低于 40 V 的工具，具有集成的霍爾效應傳感器電源和反饋以及電機驅動控制邏輯。A4915 的內置控制邏輯通過簡單的接口節省了空間，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 設計 人員 將 電動 工具 陣容 精簡 到 一個 PCB， 從而 節省 測試 時間， 減輕 軟件 資源 的 負擔， 并 實現 更 快速 的 開發。

審核編輯 黃昊宇