電動工具用于各種工業和家庭應用，例如鉆孔、研磨、切割、拋光、驅動緊固件等。無繩電動工具使用電池電源驅動直流電機，不同產品具有不同的功率級別。

對于高電流電平應用，通常在電池和電機驅動器之間連接一個開關，以確保在連接或斷開電源時安全操作。此外，斷開開關可以減少設備的靜態電流，從而在運輸期間節省電力。

此場景中通常使用機械開關，因為其設計簡單且成本低。但是，這些開關不太可靠。頻繁開關會影響機械開關的壽命。開關期間可能會觸發電弧，進而可能損壞電路板上的其他器件。

為避免機械開關引起的問題，可以使用電氣 MOSFET 開關。由于電機逆變器通常包含 6 個 MOSFET 來驅動三相無刷直流 (BLDC) 電機，因此這個額外的 MOSFET 開關通常稱為第七個 MOSFET (7MOS)。

圖 1 無繩電動工具系統中的 7MOS

相應 7MOS 實施指南

7MOS 可以通過不同方式實施。要選擇合適的設計，請瀏覽本章節確定您的需求。

要使用哪種類型的 MOSFET – NMOS 還是 PMOS？

MOSFET 可分為兩類：N 溝道 MOSFET (NMOS) 和 P 溝道 MOSFET (PMOS)。二者均可用作開關。與 PMOS 相比，NMOS 因實現相同額定電流的 R_DS、ON 更低且尺寸更小，因此成本和功耗更低，廣受歡迎。因此、本應用簡報僅討論使用 NMOS 的設計。

請注意，NMOS 需要由正 V_GS 驅動，這意味著柵極電壓需要高于源級電壓才能打開開關。如果 NMOS 放置在高側，源極電壓等于電源電壓，那么柵極電壓需要高于電源電壓。為了實現該柵極電壓，需要額外的驅動器電路。

要安裝 7MOS 的電路板：電池側還是電機側？

通常，電池管理和電機控制在兩個不同的電路板上實現，其中電池管理板放在電池附近（電池側），電機控制板放在電機周圍（電機側）。7MOS 開關可以安裝在任一電路板上。

無論開關置于何處，開關都可能增加 PCB 的尺寸、功耗和發熱。要確定開關位置，需要考慮哪一側可以承受這些規格的下降。

圖 2 7MOS 放置位置：電池側

圖 3 7MOS 放置位置：電機側

電池側 7MOS

控制方法：高側還是低側？

在電池側，可以將 7MOS 置于電源與負載之間（高側）或負載與接地點之間（低側）。

圖 4 電池側 7MOS 控制
方法：高側

圖 5 電池側 7MOS 控制
方法：低側

當使用 NMOS 在低側實現時，開關不需要比電源電壓更高的柵極電壓即可導通，可節省成本并減小額外電路所占面積。但是，缺點是當開關斷開時，電路其他部分（通信、電機驅動器等）將失去接地基準。懸空接地是不安全的，并且在這種情況下，通信需要隔離。

盡管高側 NMOS 開關需要驅動器電路生成高于電源的電壓，但這種實現可以在整個系統中始終保持相同的接地基準。

FET 驅動器：集成還是外部？

需要驅動器電路來為 7MOS 生成控制信號。一些電池管理 IC 已經集成了 FET 驅動器，而另一些需要外部電路來實現此功能。

無論電池管理 IC 中是否集成了驅動器電路，此功能都必須是低功耗的。在電池側，關斷模式下電路板功耗受到嚴格控制，可在運輸或長期存儲期間實現較低的電池電量損耗。

集成 FET 驅動器的電池管理 IC 在設計階段就已將驅動器功率納入考量。因此可以實現低功耗目標。此外，集成驅動器可節省成本，減小電路板尺寸和設計電路所需的額外工作量。

可以使用低成本無源器件來構建用于低側控制的外部驅動器電路，以傳輸來自 MCU 的控制信號。該電路功耗低，但會占用一定的 PCB 面積。

在設計用于高側控制的額外驅動器電路時，通常使用驅動器器件來生成高于電源的控制電壓，從而簡化設計并減小面積。驅動器器件需要審慎選擇，以便在關斷模式下控制功耗。仍然需要無源器件來為 IC 構建外設電路。可以為驅動器器件配置額外的保護功能（過壓保護、過流保護等），但會增加總成本。

圖 6 適用于電池側 7MOS 的 FET 驅動器
：集成式

圖 7 適用于電池側 7MOS 的 FET 驅動器
：外部

電機側 7MOS

電機側的情況與電池側類似。可以對 7MOS 使用高側或低側控制，在關斷模式下對功耗的限制較小。

對于低側控制，由于電機驅動器 IC 通常未集成低側 MOSFET 驅動器，因此可以使用低成本無源器件（像電池側 7MOS 中一樣）構建外部驅動器電路。

對于高側控制，電機驅動器 IC 通常集成了 FET 驅動器，以驅動電機逆變器中的高側 NMOS。不同的電機驅動器 IC 中的驅動器結構不同。有些驅動器支持額外的負載電流，有些則不支持。對于支持額外負載的驅動器，高側控制僅需要含有低成本無源器件的簡單外設電路。對于不支持額外負載的驅動器，則必須使用額外的驅動器。此驅動器可通過驅動器器件或無源電路來實現。驅動器器件的尺寸比無源電路更緊湊，并且可能具有額外的保護功能，但成本更高。

圖 8 適用于電機側 7MOS 的 FET 驅動器：高側

圖 10 適用于電機側 7MOS 的 FET 驅動器：低側

圖 9 適用于電機側 7MOS 的 FET 驅動器：高側

通過電源開關實現 7MOS 控制

高側電源開關 IC 的內部具有電荷泵，可生成高于電源的電壓。配置為 7MOS 控制器時，開關可由來自 MCU 的信號和相應引腳上的輸出柵極電壓觸發。這些開關易于實現，并且集成度高，可節省 PCB 面積。如果不想更改電路板上的其他 IC，此設計非常有用。

盡管許多電源開關都集成了 MOSFET，但可能存在散熱問題，因為電動工具應用中的峰值電流可能達到數十安培。因此，我們為此應用設計了具有分立式 NMOS 的電源開關。

圖 11 通過電源開關實現 7MOS 控制 (LM74502)

不同類型的 IC 還會集成各種保護功能，例如反極性保護 (RPP)、反向電流阻斷 (RCB)、過壓保護 (OVP)、欠壓鎖定 (UVLO)、過流保護 (OCP) 等。

建議使用兩種類型的電源開關：理想二極管/ORing 控制器和熱插拔控制器。選擇器件時，可以考慮以下規格：輸入電壓、功耗、封裝面積、成本和所需的保護功能。

德州儀器 (TI) 高側 7MOS 控制設計

如前所述，實現高側 7MOS 控制的一個主要挑戰是生成高于電源的柵極控制電壓。本節重點介紹如何解決這一挑戰。

可以考慮以下方法：

電機側

• 添加電源開關
• 使用集成了 FET 驅動器的電機驅動器 IC

電池側

• 添加電池保護器或低功耗電源開關
• 使用集成了 FET 驅動器的電池監控器

通過電機驅動器 IC 實現 7MOS 控制

大多數 BLDC 電機驅動器 IC 都集成了電荷泵或自舉結構，用于導通電機逆變器中的高側 NMOS。這部分電路也可重復使用來控制 7MOS。

• 集成了電荷泵的電機驅動器 IC

應用手冊《高電流電機驅動應用中的關斷開關》介紹了這一設計。電機驅動器 IC 的 VCP 引腳可以提供電源 + 10V 的電壓來導通 7MOS，這要借助低成本但會占用面積的分立式電路來實現。

圖 12 通過電機驅動器 IC（集成電荷泵）實現 7MOS 控制

• 具有集成自舉功能的電機驅動器 IC

單獨的自舉架構無法生成電源 + 10V 的電壓來控制 7MOS，因為這需要依賴電機逆變器的開關操作來保持恒定的電壓。具有自舉架構的德州儀器 (TI) 器件（例如 DRV8328 和 DRV8329）中使用了涓流電荷泵，以便在輸入 PWM 占空比接近 100% 時提供高側 NMOS 柵極電壓（電源 + 10V）。不過，涓流電荷泵只能承受極輕的電流負載，難以直接驅動 7MOS。可以使用驅動器電路來驅動 7MOS，下面是使用 DRV8328 和驅動器電路來驅動 7MOS 的一個示例：

圖 13 通過電機驅動器 IC（集成自舉結構）實現 7MOS 控制

電阻器 R1、R2、R3和 R4 需要審慎選擇，因為這些電阻器可能會形成從自舉架構到 VBUS 的無用電路并承載負載電流。

此外，最好使用大電阻值來減輕涓流電荷泵的負載電流負擔。高電阻也會使電路容易受到噪聲和干擾的影響，并減慢開關速度。

演示中選擇了 MΩ 級的電阻器作為 R1、R2、R3 和 R4。在實際應用中，可以選擇較小的電阻值（100kΩ 級），但需要先導通逆變器中的低側 NMOS 一段時間，以確保自舉電容器充滿電。

我們構建了一條演示電路，測試結果如圖 14 所示，其中通道 1 是 MCU 控制信號、通道 2 表示電機逆變器中高側 NMOS 的漏極電壓 (VBUS)：

圖 14 使用驅動器電路導通 7MOS

圖 15 使用驅動器電路關斷 7MOS

當 7MOS 導通時，電池電源 (15V) 連接到電機逆變器，VBUS 等于電源電壓；當 7MOS 關斷時，電池電源斷開，VBUS 通過接地負載電阻器下拉至低電壓電平。這樣，MCU 就可以成功控制 7MOS，以通過此驅動器電路連接或斷開電源。

演示設計采用低成本無源器件和 JEFT 構建，但占用的 PCB 面積約為 30mm×30mm，這對緊湊型設計來說是一個問題。

以上只是一個示例。在這種情況下，MOS 無法非常快速地導通和關斷，也無法支持完全 100% 占空比運行。我們需要注意這一點。

表 6 列出了建議的器件：

對于具有自舉架構的電機驅動器 IC，德州儀器 (TI) 的未來產品可以升級驅動器設計，以支持更高的負載電流并實現更小尺寸的外設電路。

通過電池保護器或低功耗電源開關實現 7MOS 控制

如FET 驅動器：集成還是外部？ 中所述，在電池側必須使用低功耗器件，以便在關斷模式下節省電池電量。為此，設計人員可以使用具有驅動器功能的電池保護器或低功耗電源開關。

德州儀器 (TI) 的電池保護器 BQ76200 在關斷模式下消耗的電流低于 9.5uA。該器件集成了一個電荷泵并可以由外部信號（來自 MCU 或電池監控器）控制，符合 7MOS 控制的要求。

也可以在此處使用通過電源開關實現 7MOS 控制 中介紹的低功耗電源開關。憑借低于 20uA 的關斷電流消耗，這些器件還可以幫助控制功率預算。

結語

7MOS 提供了一種連接或斷開無繩電動工具電源的可靠方法。7MOS 可以通過采用高側或低側控制的 NMOS 晶體管來實現。實現高側控制的主要挑戰在于生成高于電源的柵極電壓。表 8 總結了德州儀器 (TI) 的 7MOS 控制設計并對性能進行了比較。