モーター制御ドライバーのデータシートには、使用できる最大電流が指定されていますが、この値を当然のこととして受け入れることは間違いであり、設計のさまざまな側面に大きな影響を与える可能性があります。
実際には、利用可能な電流は常に記載されている値よりも低くなります。指定された電流は、熱の問題を考慮せずに、ベアダイが耐えることができる電流です。この記事では、まず熱を発生するコンポーネントを特定し、次にこの熱エネルギーを放散する方法を提案することで、設計時に考慮する必要がある熱の問題の両面について説明します。
ボード上の温度には3つの原因があります。
1.) ドライバを流れるRMS電流 (これはデータシートに指定された値です)。
2.) スイッチング損失。
3.) 銅層を通して熱を伝達する他のコンポーネントからの温度。
熱放散は、次の3つの要因によって最も影響を受けます。
1.) 基板上の銅の面積、厚さ、レイアウト。
2.) ドライバーのパッケージ。
3.) 外部の温度と環境（空気の流れなど）。
市販のダイ ドライバーの一般的な仕様では、最大RMS電流は3アンペアで、トランジスタの標準スイッチ オン抵抗は25 ℃ で300mOhmです。電流がHブリッジを通過すると、ブリッジの抵抗は実際には600mOhmになります。この電源から消費される電力はR * IRMS2です。これらの数値に基づくと、消費される電力は約5.4Wになります。
低消費電力特性を持つ設計では温度上昇は50oC/Wとなり、最適化された設計では約15oC/Wの消費電力が可能になります。これを考慮すると、MOSFETのRDsonはおよそ25oCから125oCに増加し、ドライバは約130oCでサーマル シャットダウンするため、温度が81oC (5.4 * 15oC) までしか上昇しない最良のシナリオでも、ドライバは依然としてサーマル シャットダウンに達します。電力消費に関する課題は、それが暴走熱問題を引き起こす正のフィードバック システムであることです。関連商品を見る
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現実的に、最も放散しやすい電力は1 ～ 2Wです。このレベルを超えると、優れたデザインであっても要件を満たさず、追加の支援が必要になります。たとえば、石油産業では、砂漠の極度の暑さの中でポンプが巨大な水流を使用するため、大量の熱を放散する方法がないため、システムは空調で密閉されています。
モーターの電流はパルス幅変調 (PWM) によって制御されます。つまり、トランジスタをオン/オフする必要があります。ドレインソース容量 (Coss) はすべてのMOSFETに存在します。各サイクルで、Cossに蓄積されたエネルギーはMOSFETで消費されます。RDsonが低いほど、静電容量は大きくなります。低電力アプリケーション (< 50W) では、スイッチング損失が消費されるエネルギーの半分を占めることがあります。
RDsonとスイッチング損失のトレードオフが完了し、消費されるエネルギーの推定値が計算されると、設計者はエネルギーを消費する最良の方法を見つける必要があります。
接合部から周囲までの熱抵抗は、電力消費を評価するために最も一般的に使用されるパラメータです。この熱抵抗にはいくつかの要因が影響しますが、主なものはPCB設計、チップとパッドのサイズ、外部周囲温度、および空気の流れです。
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たとえば、各層に40cm2の2オンス厚の銅表面とICの下に22個のビアホールを備えた4層FR4 PCBに搭載されたpowerSO36パッケージでは、接合部から周囲までの熱抵抗が12oC/Wまで低下します。同じ条件下でのHTSSOP28パッケージの熱抵抗は約25oC/Wです。7x7 QFNの場合、熱抵抗は約30oC/Wです。2層基板では、放散する銅の面積が非常に小さいため、熱抵抗は最大50oC/Wに達し、小さな電流しか流せません。
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最後に、モーターに電流が流されると、PWMにより最適な周波数は20kHzから40kHzの間になることが多いです。20kHz未満の場合、PWMはオーディオ範囲に入り、電流に多くのリップルが発生する可能性があります。周波数を高くするとリップルを減らすことができますが、50kHzを超えるスイッチングではスイッチング損失が非常に大きくなり、これらの損失だけでアプリケーションのサーマル シャットダウンがトリガーされる可能性があります。
電力消費とそれによって発生する熱は常に設計上の要素となります。この熱がどこから発生し、どのように最適に放散するかを理解することで、ビルドが稼働し続け、熱シャットダウンが発生しないようにすることができます。