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锂电池供电的无刷直流电机规划考虑

消费者希望电池供电产品具有优异的可靠性并延长电池使用寿命,如手持电动工具、便携式医疗设备或家庭自动化产品。随着这些产品的市场迅速增长,制造商

顾客期望电池供电产品具有优异的牢靠性并延伸电池运用寿数,如手持电动东西、便携式医疗设备或家庭自动化产品。跟着这些产品的商场迅速增长,制造商们开端选用新一代锂离子电池(Li-ion)供电的无刷直流(BLDC)电机。

无刷直流电机十分合适于需求高牢靠性、高功率和高功率密度的运用。因为没有电刷磨损和替换,无刷直流电机的牢靠性十分高。因而,其预期寿数显着高于有刷电机,然后大大延伸产品的运用寿数。

从另一方面看,锂电池已广泛运用于各种消费电子产品,如智能手机和平板电脑等。锂电池以其优异的能量密度和静态电荷丢失缓慢的特色,成为用处最广的电池之一。锂电池不只用于消费电子产品,并且正在越来越多的运用于曩昔选用铅酸蓄电池的产品,如高尔夫球车、 电动割草机等。

新式锂电池供电的无刷电机作业时间长,产品牢靠性更高,然后促进了电池供电的电动产品商场的开展。许多产品正在进行这种新电池的晋级,包含手钻、链锯、鼓风机等电池供电东西,以及小型电动车辆(电动自行车和轮椅)和不间断电源等。

这些新产品还需求更新驱动MOSFET的桥式驱动器,以运用各种功用,一起削减其合作集成式的BLDC电动机与锂电池发生的问题。特别是,新式桥式驱动器供给的立异安全功用,可防止电机负载再生减速期间电池充电失控导致锂离子电池损害和损坏,进一步延伸电池以及多节锂电池供电产品的运用寿数。

晋级到锂离子电池和无刷直流电机

锂离子电池的高能量密度是优于其他电池技能(如镉镍、镍氢或铅酸电池)的一个首要优势。一般情况下,锂电池能量密度是其它电池技能的两到三倍。能量密度高可以减小电池组尺度,减轻手持电动东西的分量并进一步小型化。此外,在不添加原有电池组尺度或分量的情况下,可以延伸电动自行车或轮椅等的作业时间。

不过,高能量密度的锂电池并非没有运用方面的问题。锂电池不是咱们一般对电池了解意义上的电压源。锂电池内部电感适当高(100-500nH),导致选用PWM技能驱动电机时发生显着的纹波电压。简略的解决办法是在MOSFET桥间添加满意电容,但因为遭到空间、本钱的束缚,无法选用这种办法。

除空间有限外,PCB结构束缚也是许多运用电池供电的手持电动东西的首要问题。在一些运用中,桥臂间跨接很小的电容也会使桥路发生严峻的电压纹波。以18-20V的锂电池为例,大负载条件下,选用最小极限容量桥接电容的锂电池谷值电压或许低至5V,峰值电压则高达36V。另一个考虑要素是过载期间的作业条件,如转子停转,这种情况下,电池电压会下降到十分低的值。这些比如中,要求操控器(而不是驱动器)可以决议怎么对这些极点作业条件做出反响。

选用BLDC电机有多个理由。BLDC电机最大转速(RPM)首要受转子结构束缚,而有刷直流电机的转速首要受电刷本身的束缚。大部分运用选用减小传动比的办法,将电机转速下降到运用所需的转速。因为无刷直流电机的转速要比有刷电机快很多倍,因而经过相应调整传动比,物理尺度比较小的无刷直流电机可以发生相同的转速和效果扭矩。无刷直流电机的另一个显着长处是消除了电刷磨损及其发生的严峻电磁搅扰(EMI)。在延伸作业时间方面,无刷直流电机的显着优势是功率高,一般优于同类有刷直流电机150%以上。

无刷直流电机也有其本身的运用问题:首要是驱动电路添加了复杂性(参见图1)。单向有刷电机驱动运用中,只需求一个MOSFET桥路。双向有刷电机驱动需求两个桥路。而无刷直流电机即便单向运用也需求三个桥路。这种复杂性的进步要求减小体积或选用高功用集成电路,以削减元器材数量、物料清单(BOM)本钱、节约有用空间,尤其是在空间受限的运用环境下,如电池供电的电钻。


Figure 1.三种常见电机驱动运用举例。

电池供电电机桥路驱动器应具有七种功用

1.因为大部分电机驱动运用的桥路驱动器需求较低的偏置电流,操控器(一般为数字信号处理器(DSP)或微操控器)相同需求较低的偏置电流,因而集成线性稳压器(LDO)并带有使能操控用以支撑桥驱动器的作业电压是需求的,桥路驱动器为12VDD,操控器为3.3VCC。

2.可机械开关操控的LDO使能输入端的用以保证LDO无振荡导通。

3.保证超低静态电流,以削减电池电耗。抱负情况下,可选用睡觉形式,当存在桥路电压,而运用不作业时,保证封闭驱动器。

4.在电池电压低至5V的条件下保证桥路不间断运转。这可以经过~4.2V欠压确定来完成。传统桥路驱动器UVLO典型值为7.5V。

5.有必要具有相位节点(HS)的高瞬间负偏压耐受才能。桥路FET开关电流逐步进步已成为电机驱动的一种趋势(>200A)。跟着开关电流进步以及非抱负PCB布局结构的束缚,减小PCB寄生电感形成的HS 引脚负瞬态高压冲击是PCB规划的难点。

6.在很多运用中有必要最大极限减小封装尺度,以节约布板空间。缩小封装还便于将驱动器安放在接近FET的方位,缓解PCB布局欠佳带来的问题。

7.驱动器桥路额外电压应到达50V ,保证电池电压在36V条件下还能牢靠运转。

因为可以显着地延伸锂电池供电设备的电源运用时间和产品全体寿数,桥路驱动器特别合适用于新一代BLDC电动机驱动器。其时商场上,增强电池续航才能、设备运用寿数和高牢靠性的产品成为顾客的首要挑选。新式桥路驱动器支撑锂电池供电的BLDC电机,满意并优于商场需求。

东西栏:

Intersil HIP2100半桥驱动器自1995年推出以来已为体系规划人员广泛选用。因为不需求散热器、可选用低本钱MOSFET、易用、高效的HIP2100半桥驱动器成为规划运用的杰出器材,牢靠下降各种形状和尺度规划的功耗。十年前,公司推出新的增强散热功率的小型封装,契合其时为保证体系长时间牢靠性而要求的高压节点之间0.6mm距离的规范。2014年,这一长达几十年的产品系列进行了又一次晋级,推出了HIP2103/4半桥、全桥驱动器,作业电压5V至50V,可协助显着延伸多节锂离子电池供电设备的电源运用时间和产品全体寿数。新式HIP2103和HIP2104桥路驱动器可装备的拓扑结构支撑半桥、全桥和三相电机驱动的运用。

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