广告

如何优化嵌入式电机控制系统的功率耗散和温度耗散?

2021-08-20 11:20:50 Hans Spirk 阅读:
本文以基于TDK电机控制IC HVC 4223F的步进电机执行器为例,概述了硬件和软件环境中用于降低功率耗散和改善IC热耗散的措施,并通过各种测试系列和设置审查措施的有效性。

功率耗散和温度耗散是嵌入式电机控制应用中一直存在的挑战。汽车执行器的增长以及对减少二氧化碳排放和重量的追求,推动着该领域的集成度和性能密度不断提高。降低功率耗散和提高散热的目标必须通过结合众多适当的措施来实现。eQJednc

在下文中,以基于TDK的高度集成的电机控制IC HVC 4223F的步进电机执行器为例,概述了硬件和软件环境中用于降低功率耗散和改善IC热耗散的措施,并通过各种测试系列和设置审查措施的有效性。eQJednc

示例:步进电机执行器

以基于HVC 4xyzF SDB-I v4.1电路板的步进电机执行器为例进行检验。所使用的电路板是紧凑的评估电路板,其结构和尺寸与现实生活中的应用十分接近。所采用的HVC 4223F微控制器是高度集成的电机控制IC,作为单芯片解决方案适用于两相双极步进电机、上至三相的无刷直流电机 (BLDC) 和有刷式电机 (BDC)。电机控制器中集成了所有必要的功能,例如电压调节器、振荡器、监视器、闪存驱动器、EEPROM存储器、ADC、相电流控制和电机驱动器。这使得只有一个IC的紧凑和智能执行器设计成为可能,参见 REF _Ref30780585 \h \* MERGEFORMAT VALUE 图 1 。eQJednc

图1 : 步进电机执行器框图eQJednc

运行执行器的要求:eQJednc

  • 环境温度–40°C≤ TA ≤ 85°C
  • 工作电压 8V ≤ VBAT ≤ 16V
  • 相电流 IPhase_rms = 250mA

热预算

可能的最高环境温度(TA)是根据IC的预期功率耗散(PV_IC)、IC势垒层和环境之间的热阻(RthJA)以及允许的最大芯片势垒层温度(TJ)计算得出的。此处应最先考虑电路板上IC的环境,即不存在外壳。最坏的情况下所应用的最大值:eQJednc

IC中转换的总功率耗散由电机驱动器(PMotorDriver)的功率耗散以及IC的CPU和外围模块 (PDDP)的功率耗散组成。 eQJednc

eQJednc

电机驱动器损耗由相电流(IPhase_rms)和集成半桥的输出电阻计算得出。对于两个电机相中的每一相,必须考虑高侧(RDS(ON)hs)和低侧晶体管(RDS(ON)ls)的电阻。数据显示,在开关速度和三个PWM调制晶体管的标准设置,20 kHz PWM频率之下的开关损耗增加13%。因此,开关损耗近似为Psw = 1/2 × U × I × (tr+tf) x fPWM。为了简化问题,不考虑空转损耗。同时考虑到最坏情况下,电机连续运行,即有效相电流连续流动。电机驱动器损耗由此计算如下:eQJednc

eQJednc

CPU和外设的损耗由IC的电流消耗(IDDP)和给定的工作电压(VBAT)决定。为了简化,可能存在的任何极性保护下的电压降都被忽略,这代表了额外的安全裕度。eQJednc

eQJednc

基于以下数据表参数,可计算功率耗散:eQJednc

TJ max. = 150°C (最高势垒层温度)eQJednc

IDDP max. = 35mA (无电机驱动器的最大电流消耗)eQJednc

RDS(ON)hs max.= 2.8Ω (电机驱动器高侧的最大导通电阻)eQJednc

RDS(ON)hs max.= 2.8Ω (电机驱动器低侧的最大导通电阻)eQJednc

 eQJednc

eQJednc

 eQJednc

热模型

执行器的简化热模型如图2所示。这仅限于主要热阻,足以考虑稳态情况。 eQJednc

图2 : 简化的热模型eQJednc

起始点是类似于HVC 4xyzF SDB-I v4.1的电路板,具有以下规格:eQJednc

  • 基材:FR4
  • 厚度:1.6 mm
  • 直径:40 mm
  • 层数:两个信号层
  • 铜层:35 µm
  • 热通孔阵列:3 x 3
  • 裸露焊盘(ePad)下方背面的铜表面:约0.75 cm²

此电路板最大 RthJA max约为32 K/W。因此,可能的电路板最大环境温度会导致:eQJednc

通常,外壳内的电路板和电机是紧密放置的。因此,为了计算外壳内的温度,还必须考虑电机的功率耗散。以热阻为11 K/W的塑料外壳为例。为简单起见,电机损耗(PMotor)仅通过铜损来描述(铜损占电机耗散的大部分)。此处,假设电机相位的欧姆电阻为RPhase = 12Ω。此时功率耗散为PMotor = 2 x IPhase_rms² × RPhase = 1.5。此时外壳中的总功率耗散(Ptot):eQJednc

eQJednc

因此,执行器外壳上的温度梯度确定为:eQJednc

如果将此温度梯度添加到所要求的执行器最高环境温度(85°C),则结果是内部外壳温度为116.4°C。eQJednc

先前计算出的电路板最高环境温度(107.4°C)(不含电机和外壳)与现已确定的外壳内部温度(116.4°C)之间存在9K的差距。必须采取适当措施来弥补差距。eQJednc

按需运行

减少功率耗散的最好方法是杜绝其发生。按这种方法,所使用的外围模块应该只在真正需要时才处于激活状态。eQJednc

识别消耗者 

目前,HVC 4223F中最大的消耗者是(典型值):eQJednc

ADC(模数转换器) 8mAeQJednc

BEMFC(BEMF-比较器) 1.3mAeQJednc

EPWM(增强型脉宽调制) 1.1mAeQJednc

电机运行时,无法禁用BEMFC和EPWM。通常还必须在驻留时间内产生保持转矩,因此电机始终处于运行状态。 相比之下,ADC不是永久需要的,而是仅在特定的定期时间需要。由于ADC也是最大的消耗者,因此基于需求的运行可以显著节能。eQJednc

在步进电机应用中,ADC通常用于测量反电动势,以识别过载和与之相关的步进损耗。如果假设步进速度为每秒1000步,则ADC必须每秒激活1000次。eQJednc

由于Von 1µs 的转换时间很短,即使每个事件使用8个连续转换,也可以获得0.02的脉冲控制因子Ton/Tperiod。由此,ADC的平均电流消耗为eQJednc

eQJednc

因此模块的电流消耗可降低7.84mA。功率耗散相应降低7.84mA × 16V = 125.4mW。eQJednc

降低CPU时钟速度

通常,嵌入式执行器中的软件是由事件控制的,即动作由中断触发。大部分时间CPU都参与后台任务并等待新事件。事件可以是内部事件(如定时器中断)或外部事件(如过压/欠压中断)。eQJednc

按需调速eQJednc

HVC 4223F可以动态地更改CPU时钟速度。对于非时间关键性的后台任务,可通过降低时钟速度来减少电流消耗。一旦出现中断,µC就可以独立切换到最大时钟速度,并且能够以最大速度处理中断服务程序。在中断服务程序结束时,软件切换回较低的时钟速度。eQJednc

假如CPU在中断服务例程上平均花费的时间份额为40%,这意味着CPU有60%的时间可以以较慢的时钟速度工作,从而降低电流消耗。一个很好的折衷方案是为后台任务选择5MHz的CPU时钟速度。速度为最大时钟速度的四分之一时,可节省38%的电流,请参见 REF _Ref30777124 \h \* MERGEFORMAT VALUE 图 3 。因此,总电流消耗(不含电机驱动器)降低了60% × 38% = 13.68%。eQJednc

eQJednc

图 3 :HVC 4223F的电流消耗,标准化为20 MHz。eQJednc

HVC 4223F的典型电流消耗(所有外设模块关闭且fSYS = fCPU = 20 MHz)约为15mA。如此可节省15 mA × 13.68% = 2.052 mA。 功率耗散相应降低2.052mA × 16V = 32.83 mW。eQJednc

减少开关损耗 

电机驱动器中的开关损耗主要由电压、电流和开关时间引起。电压和电流均由外部需求决定,因而只能改变开关时间。HVC 4223F可分三个阶段设置开关速度。最高设置与标准设置相比,切换时间可减少一半以上。特别情况下必须检查对电磁兼容性的影响。eQJednc

假设电机驱动器中开关损耗占比从13%减少到5%。后续结果为:eQJednc

eQJednc

功率耗散相应降低58 mW。eQJednc

优化电路板

带裸露焊盘的QFN外壳结构(见 REF _Ref31728978 \h \* MERGEFORMAT VALUE 图 4 )的散热主要发生在垂直方向。因此,将芯片下方的热量通过电路板传导到背面是绝对必要的。背面尽可能大的铜表面用于水平分布和散热。eQJednc

热通孔

理想情况下,使用尽可能多的通孔(层间连接),让热量更快地通过导热性差的板材料(例如,FR4 0.3W/m*K与铜380W/m*K相比)传输到背面。一种具有成本效益的选择是简单的层间连接,但是在0.2毫米到0.3毫米的小直径的情况下,仍有焊料流出的风险。为避免焊料流出,建议使用树脂填充通孔并覆铜。这是BGA封装中使用的焊盘中通孔的最新技术。eQJednc

eQJednc

图 4:带裸露焊盘(ePad)的QFN40外壳。eQJednc

eQJednc

图 5:2×2通孔的标准化Rth。eQJednc

合适的通孔数量为4×4或5×5。任何进一步的增加只会导致热阻的小幅降低,参见图 5。eQJednc

在符合机械稳定性要求的前提下,可进一步减小电路板的厚度。垂直方向的热阻与电路板厚度成正比。eQJednc

铜表面

也可以通过最大化连接到裸露焊盘的接地平面来改善散热。通过布局优化,约0.75cm²的初始铜表面可倍增至约1.5cm²。热阻降低了2K/W。eQJednc

与上述双层电路板达到32K/W的热阻相比,通过将铜表面背面倍增至1.5cm²并修改热通孔为3×3到5×5阵列,可获得26K/W的热阻RthJA。eQJednc

如果成本不是首要考虑因素,可通过将裸露焊盘连接到额外的内层接地层,热阻可显著降低到20K/W以下。 将外层的铜层加倍至70µm则成本较低,但效果较差。最终,该电路板上可以实现1到2 K/W的降低。应在早期阶段考虑此选项。与额外的接地层相比,较厚的铜层也会影响信号层的布局。最终,最小的电路板走线宽度和距离增加一倍。eQJednc

结果

通过优化软件,IC的功率耗散可降低216.2mW。电路板上的优化措施可将热阻(RthJA)降低6K/W。允许的电路板最高环境温度的新计算结果为:eQJednc

通过简单且具有成本效益的措施,与初始的电路板最高环境温度106.7°C相比,可实现13.7K的改进。eQJednc

外壳温度梯度的功率耗散降低,新计算结果为:eQJednc

eQJednc
与初始温度梯度31.38K相比,相应降低了2.38K。加上所要求的执行器最高环境温度(85°C),现在内部外壳温度为114°C。eQJednc

总共可以实现16.08K的降低。9K差距已弥补,示例中计算的HVC 4223F的最高环境温度(TA max.)现在可以保持为约6.4K。eQJednc

结论

TDK的嵌入式电机控制器HVC 4223F易于使用且可智能地降低功率耗散。通过对软件和电路板进行经济有效的改进,可以显著改善应用的热预算。eQJednc

通过增加层数、铜层的厚度以及减少电路板本身的厚度,可以对电路板进行额外的改进。对于温度要求较高的应用,可以考虑采用铝芯电路板以及通过金属外壳散热。eQJednc

具有高内存需求的应用也可以借助于引脚和软件兼容的衍生HVC 4420F。除了RAM和Flash双倍存储容量外,该IC还提供了内存保护单元(MPU),为实时操作系统的使用做出了让步。eQJednc

此外,针对高温应用优化的HVC 4223F版本未来将在最大势垒层温度和功率耗散降低方面具有更多优势。eQJednc

作者:Hans Spirk,TDK-Micronas部门的应用工程师。eQJednc

  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 波兰网友拆德国产电源插排,内部竟是中国制造?! 本文将会介绍LogiLink LPS262U电源插排(接线板)——包含三个USB端口和两个Schuko插座——的内部结构及其简短测试。
  • 理想ONE高速起火烧成光架,其1.2T三缸增程器曾被指隐藏 近期,网络平台上发布了一段理想ONE在行驶过程中,车辆出现起火的视频内容。现场拍摄的灭火后图片显示,该轿车过火后仅剩骨架,车辆前部增程器位置受损严重,车辆尾门已经在过火后从车身主体脱落。此前,曾有国内汽车媒体对一台行驶了10万公里的理想ONE的东安1.2T三缸增程发动机进行拆解,被指隐藏暗病。
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 【领优秀论文集】Cadence 用户大会已开放注册
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • GaN是否可靠? GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性,因此问题并不在于“GaN是否可靠?”,而是“如何验证GaN的可靠性?”
  • Cadence中国区线上用户大会-2022 会议将集聚Cadence的技术用户、开发者与业界专家,涵盖最完整的先进技术交流平台,从IP/SoC设计、验证仿真、系统分析及多物理场仿真、计算流体力学,到封装和板级设计的全流程的技术分享, 以及针对自动驾驶、人工智能、网络和5G/6G、云服务等创新应用的客户案例分享。您也将有机会和开发Cadence工具和IP的技术专家们进行对话。与此同时,还有丰富礼品等您来赢。 新的故事总会在盛夏开始序曲,新的灵感也极有可能于技术交流中迸发。
  • EA Elektro-Automatik代表与中国驻德大使共商中国市 EA Elektro-Automatik受邀参加主题为“变革中的贸易?不确定性时代的中德经济关系展望”的高层外贸战略论坛,为公司在中国市场实现重要增长进行规划并奠定基础。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 拆解一个中国产的“树莓派”开发笔记本,售价279美元值 “树莓派”在全球市越来越受欢迎,甚至有家长开始让孩子用树莓派学习开发产品。有中国厂商嗅到,率先开发出了基于“树莓派”笔记本——CrowPi L ,外观看和普通笔记本差不多, 但却是基于树莓派Raspberry Pi 4B 开发板的套件,专为 STEM 教育而设计,带有可选的电子模块和教程。EDN发现有外媒对其进行了拆解,接下来将这篇拆解文章分享给大家:
  • 波兰网友测试拆解中国产手电筒/手提灯,会不会发起客诉? 本文将对中国制造的COB LED HP1807带移动电源的手提灯/手电筒的内部(包括电池容量)进行简短的测试和分析。在本主题中,我还将展示其电路板上连接的详细草图,这实际上也构成了其原理图。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了