4 熱設計建議

根據上一節提供的數據，本應用手冊為需要最大限度提高集成式 FET 驅動器熱性能和效率的設計人員提供了幾項建議。首先，在幾組同等功率級電機驅動器中，具有最低 R_ds(on) 值的集成式 FET 驅動器可以減少導通損耗，而這種損耗在大電流輸出下是總功率損耗的主要成分。其次，為了促使電流輸出接近器件的最大電流，TI 建議基于電機類型使用合理的開關頻率，確保具有盡可能高的壓擺率但不會引起 EMI 問題。最后，根據二極管損耗公式，在防止跨導事件的前提下，盡可能縮短死區時間。這些設置可以降低器件在給定電流下的整體溫度，這意味著器件在觸發過熱關斷之前能夠達到更高的電流輸出（請注意，這些器件仍受到過流閾值的限制）。然而，由于高壓擺率引起的節點振鈴，某些系統可能易受 EMI 的影響，因此設計人員必須始終注意各種權衡因素，以確保系統穩健可靠。內部穩壓器的電流輸出也會通過增加功率損耗產生熱量，但本應用手冊中未介紹這一點。為了減少這種功率損耗，應避免在電路的其余部分從這些穩壓器中消耗大量電流。降低這些穩壓器的輸入電壓也可以減少穩壓輸出所需的壓降，從而降低功率損耗；但是，并非每個器件都具備雙電源功能。更多相關信息，請參閱數據表。用戶還可以參考另一本應用手冊以了解布局最佳實踐。

此外，經過熱優化的 PCB 設計可以顯著幫助改善散熱。器件封裝底部的接地焊盤需要在多個層上盡可能多地連接到不受阻礙的覆銅區域。根據 ti.com 上提供的集成式 FET 驅動器熱量計算器的仿真計算結果，雙層 PCB 上小覆銅區域產生的結溫高于四層 PCB 上大覆銅區域產生的結溫。覆銅區域需要在器件周圍盡可能延伸，并且布線、過孔或其他元件造成的中斷極少。必須使用散熱過孔將一層上的接地平面縫合到另一層，并且需要在器件封裝的接地焊盤上廣泛使用過孔。

增加器件周圍銅接地平面尺寸的另一種策略是將 PGND 和 AGND 統一為一個實心接地平面，而不是通過網帶連接多個單獨平面。用戶需要確保大電流返回路徑不會穿過布局中的器件正下方。但是，這可能會在電流檢測放大器中產生噪聲（如果電流檢測放大器集成在驅動器中，例如集成在 DRV8316 和 DRV8317 中），并可能導致采用電流監測的無傳感器換向算法出現低效率問題。最終，電機驅動器和每個相位輸出端口之間的銅連接需要盡可能寬，以便用于傳輸大電流并提供額外的散熱途徑。

最后，在測試系統的熱性能時，請注意在使用集成式 FET 驅動器時牢記以下事項：

• 高 PWM 頻率不僅會導致更高的開關損耗，還會縮短 CSA 輸出的穩定時間。這樣會將噪聲引入電流檢測測量中，從而導致軟件電流限制誤關斷或無傳感器換向無效。
• 輸出電流中的噪聲也會影響使用示波器進行的最大值測量。在實驗室中測量電流輸出的一種更簡單的方法是使用 RMS 值。
• 為了觀察驅動器的高電流輸出，電機需要有負載。這是因為電流與電機提供的扭矩成正比。
• 確保電機的電壓電源要求處于與電機驅動器建議運行條件相同的范圍內。超出這些額定值運行時，可能會導致器件損壞或低效率，從而在器件封裝中產生熱量。
• 在評估應用中的電機驅動器時，使用德州儀器 (TI) 某一款評估板和可用的 GUI 是一個很好的起點。本應用手冊使用 DRV8316EVM 和 DRV8317EVM 以及相應的無傳感器 FOC GUI 進行測試。請參閱每款電機驅動器的產品頁面，以了解更多信息。