電動工具中三相電機驅(qū)動器的優(yōu)化熱設(shè)計 - 第 2 部分

這篇文章中，我將介紹一些關(guān)于良好熱設(shè)計的一般準則

以下是印刷電路板 (PCB) 良好熱設(shè)計需要考慮的幾個要點：

· 在 PCB 中提供大銅平面。將器件的裸露焊盤焊接到銅平面上，并將平面延伸到 PCB 的邊緣，以增加散熱面積。對于四層板，您可以在所有層中使用銅平面來散熱，與兩層板相比，這反過來可以提高 30% 的性能。PCB 面積越大，由于對流而產(chǎn)生的散熱量就越高。提供沒有任何中斷的銅平面，以便通過平面的熱量傳播將是有效的。

· 使用多個通孔降低熱阻。在設(shè)備外殼下方提供盡可能多的散熱過孔，并將過孔連接到所有層中的銅平面。具有 0.5oz 銅側(cè)壁的典型 12mil 直徑通孔具有 261°C/W 的熱阻。用銅完全填充過孔可以將熱阻降低一半;然而，這項技術(shù)可能會使 PCB 的成本翻倍。一個更經(jīng)濟的選擇是在標準的 12mil 通孔上提供 1oz 電鍍，這只會增加 10-20% 的額外成本。這有助于將單個過孔的熱阻提高到 140°C/W。

· 銅厚。 通過增加銅平面的銅厚度，更多的熱量橫向傳遞，有助于將熱量散布到整個 PCB。增加銅的厚度會增加PCB成本;然而，對于 PCB 尺寸有限制的電動工具應(yīng)用，2oz 銅厚是一個不錯的選擇。通過將銅厚度從 1 盎司增加到 2 盎司，您可以將熱性能提高 25%。

帶散熱器的熱設(shè)計

電動工具的小尺寸限制了 PCB 尺寸，需要添加散熱器才能滿足安全的熱性能。根據(jù)外形尺寸限制，您可以在器件封裝的頂部或 PCB 背面的裸露焊盤正下方添加散熱器。由于從結(jié)點到器件外殼頂部的高熱阻，當通過 PCB 連接到器件的裸露金屬焊盤時，散熱器會更有效。

散發(fā)產(chǎn)生的熱量的最有效方法是在安裝金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的 PCB 底部連接散熱器。這是因為當頂部沒有安裝散熱器時，95% 的熱量將通過器件的底部散發(fā)。

主要挑戰(zhàn)將是降低器件底部外露外殼和散熱器之間的 PCB 熱阻。因此，散熱孔的設(shè)計是將散熱器放置在底部的重要組成部分。散熱孔充當薄銅柱，將設(shè)備的底殼直接連接到散熱器。添加熱通孔和散熱器有助于降低器件底殼到環(huán)境的有效熱阻。圖 2 顯示了熱等效電路。

氣流的影響

從 PCB 或散熱器表面到環(huán)境的熱傳遞是通過對流和輻射發(fā)生的。在自然氣流下，PCB 表面到空氣的傳熱系數(shù)為 10 W/m 2 K。提供 100LFM 的強制氣流可以使傳熱系數(shù)翻倍或有效地將 PCB 表面到環(huán)境的熱阻降低一半.

在本博客系列中，我討論了電動工具中使用的三相電機驅(qū)動器的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識。當您將驅(qū)動器設(shè)計成能夠處理大電流的小尺寸驅(qū)動器時，PCB 的熱設(shè)計是至關(guān)重要的部分。為了使您的設(shè)計能夠處理更多功率，您可以在安裝 MOSFET 的 PCB 底部添加一個散熱器。

有關(guān)電動工具應(yīng)用和設(shè)計示例的驅(qū)動器設(shè)計的更多信息，請參閱TI Designs 參考設(shè)計，該參考設(shè)計適用于電池供電的花園和電動工具中的無刷電機的 1kW/36V 功率級。該參考設(shè)計描述了用于驅(qū)動電動工具中使用的三相永磁電機的功率級設(shè)計。功率級由 10 節(jié)鋰離子電池供電，電壓范圍為 36 至 42V。該設(shè)計使用 CSD18540Q5B NexFET? 功率 MOSFET，具有 1.8mΩ 的極低漏源電阻 (R DS_ON )，采用小外形無引線 (SON) 5 x 6 SMD 封裝，因此外形尺寸非常小功率級為 57 x 59mm。