电动工具中三相电机驱动器的优化热设计 - 第 2 部分

这篇文章中，我将介绍一些关于良好热设计的一般准则

以下是印刷电路板 (PCB) 良好热设计需要考虑的几个要点：

· 在 PCB 中提供大铜平面。将器件的裸露焊盘焊接到铜平面上，并将平面延伸到 PCB 的边缘，以增加散热面积。对于四层板，您可以在所有层中使用铜平面来散热，与两层板相比，这反过来可以提高 30% 的性能。PCB 面积越大，由于对流而产生的散热量就越高。提供没有任何中断的铜平面，以便通过平面的热量传播将是有效的。

· 使用多个通孔降低热阻。在设备外壳下方提供尽可能多的散热过孔，并将过孔连接到所有层中的铜平面。具有 0.5oz 铜侧壁的典型 12mil 直径通孔具有 261°C/W 的热阻。用铜完全填充过孔可以将热阻降低一半;然而，这项技术可能会使 PCB 的成本翻倍。一个更经济的选择是在标准的 12mil 通孔上提供 1oz 电镀，这只会增加 10-20% 的额外成本。这有助于将单个过孔的热阻提高到 140°C/W。

· 铜厚。 通过增加铜平面的铜厚度，更多的热量横向传递，有助于将热量散布到整个 PCB。增加铜的厚度会增加PCB成本;然而，对于 PCB 尺寸有限制的电动工具应用，2oz 铜厚是一个不错的选择。通过将铜厚度从 1 盎司增加到 2 盎司，您可以将热性能提高 25%。

带散热器的热设计

电动工具的小尺寸限制了 PCB 尺寸，需要添加散热器才能满足安全的热性能。根据外形尺寸限制，您可以在器件封装的顶部或 PCB 背面的裸露焊盘正下方添加散热器。由于从结点到器件外壳顶部的高热阻，当通过 PCB 连接到器件的裸露金属焊盘时，散热器会更有效。

散发产生的热量的最有效方法是在安装金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的 PCB 底部连接散热器。这是因为当顶部没有安装散热器时，95% 的热量将通过器件的底部散发。

主要挑战将是降低器件底部外露外壳和散热器之间的 PCB 热阻。因此，散热孔的设计是将散热器放置在底部的重要组成部分。散热孔充当薄铜柱，将设备的底壳直接连接到散热器。添加热通孔和散热器有助于降低器件底壳到环境的有效热阻。图 2 显示了热等效电路。

气流的影响

从 PCB 或散热器表面到环境的热传递是通过对流和辐射发生的。在自然气流下，PCB 表面到空气的传热系数为 10 W/m 2 K。提供 100LFM 的强制气流可以使传热系数翻倍或有效地将 PCB 表面到环境的热阻降低一半.

在本博客系列中，我讨论了电动工具中使用的三相电机驱动器的热设计基础知识。当您将驱动器设计成能够处理大电流的小尺寸驱动器时，PCB 的热设计是至关重要的部分。为了使您的设计能够处理更多功率，您可以在安装 MOSFET 的 PCB 底部添加一个散热器。

有关电动工具应用和设计示例的驱动器设计的更多信息，请参阅TI Designs 参考设计，该参考设计适用于电池供电的花园和电动工具中的无刷电机的 1kW/36V 功率级。该参考设计描述了用于驱动电动工具中使用的三相永磁电机的功率级设计。功率级由 10 节锂离子电池供电，电压范围为 36 至 42V。该设计使用 CSD18540Q5B NexFET™ 功率 MOSFET，具有 1.8mΩ 的极低漏源电阻 (R DS_ON )，采用小外形无引线 (SON) 5 x 6 SMD 封装，因此外形尺寸非常小功率级为 57 x 59mm。