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如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?

發(fā)布時間:2021-08-22 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文以基于TDK電機控制IC HVC 4223F的步進(jìn)電機執(zhí)行器為例,概述了硬件和軟件環(huán)境中用于降低功率耗散和改善IC熱耗散的措施,并通過各種測試系列和設(shè)置審查措施的有效性。
 
本文以基于TDK電機控制IC HVC 4223F的步進(jìn)電機執(zhí)行器為例,概述了硬件和軟件環(huán)境中用于降低功率耗散和改善IC熱耗散的措施,并通過各種測試系列和設(shè)置審查措施的有效性。
 
功率耗散和溫度耗散是嵌入式電機控制應(yīng)用中一直存在的挑戰(zhàn)。汽車執(zhí)行器的增長以及對減少二氧化碳排放和重量的追求,推動著該領(lǐng)域的集成度和性能密度不斷提高。降低功率耗散和提高散熱的目標(biāo)必須通過結(jié)合眾多適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺崿F(xiàn)。
 
在下文中,以基于TDK的高度集成的電機控制IC HVC 4223F的步進(jìn)電機執(zhí)行器為例,概述了硬件和軟件環(huán)境中用于降低功率耗散和改善IC熱耗散的措施,并通過各種測試系列和設(shè)置審查措施的有效性。
 
示例:步進(jìn)電機執(zhí)行器
 
以基于HVC 4xyzF SDB-I v4.1電路板的步進(jìn)電機執(zhí)行器為例進(jìn)行檢驗。所使用的電路板是緊湊的評估電路板,其結(jié)構(gòu)和尺寸與現(xiàn)實生活中的應(yīng)用十分接近。所采用的HVC 4223F微控制器是高度集成的電機控制IC,作為單芯片解決方案適用于兩相雙極步進(jìn)電機、上至三相的無刷直流電機 (BLDC) 和有刷式電機 (BDC)。電機控制器中集成了所有必要的功能,例如電壓調(diào)節(jié)器、振蕩器、監(jiān)視器、閃存驅(qū)動器、EEPROM存儲器、ADC、相電流控制和電機驅(qū)動器。這使得只有一個IC的緊湊和智能執(zhí)行器設(shè)計成為可能,參見 REF _Ref30780585 h * MERGEFORMAT VALUE 圖 1 。
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
圖1 : 步進(jìn)電機執(zhí)行器框圖
 
運行執(zhí)行器的要求:
環(huán)境溫度–40°C≤ TA ≤ 85°C
工作電壓 8V ≤ VBAT ≤ 16V
相電流 IPhase_rms = 250mA
 
熱預(yù)算
可能的最高環(huán)境溫度(TA)是根據(jù)IC的預(yù)期功率耗散(PV_IC)、IC勢壘層和環(huán)境之間的熱阻(RthJA)以及允許的最大芯片勢壘層溫度(TJ)計算得出的。此處應(yīng)最先考慮電路板上IC的環(huán)境,即不存在外殼。最壞的情況下所應(yīng)用的最大值:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
IC中轉(zhuǎn)換的總功率耗散由電機驅(qū)動器(PMotorDriver)的功率耗散以及IC的CPU和外圍模塊 (PDDP)的功率耗散組成。 
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
電機驅(qū)動器損耗由相電流(IPhase_rms)和集成半橋的輸出電阻計算得出。對于兩個電機相中的每一相,必須考慮高側(cè)(RDS(ON)hs)和低側(cè)晶體管(RDS(ON)ls)的電阻。數(shù)據(jù)顯示,在開關(guān)速度和三個PWM調(diào)制晶體管的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置,20 kHz PWM頻率之下的開關(guān)損耗增加13%。因此,開關(guān)損耗近似為Psw = 1/2 × U × I × (tr+tf) x fPWM。為了簡化問題,不考慮空轉(zhuǎn)損耗。同時考慮到最壞情況下,電機連續(xù)運行,即有效相電流連續(xù)流動。電機驅(qū)動器損耗由此計算如下:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
CPU和外設(shè)的損耗由IC的電流消耗(IDDP)和給定的工作電壓(VBAT)決定。為了簡化,可能存在的任何極性保護下的電壓降都被忽略,這代表了額外的安全裕度。
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
基于以下數(shù)據(jù)表參數(shù),可計算功率耗散:
TJ max. = 150°C (最高勢壘層溫度)
IDDP max. = 35mA (無電機驅(qū)動器的最大電流消耗)
RDS(ON)hs max.= 2.8? (電機驅(qū)動器高側(cè)的最大導(dǎo)通電阻)
RDS(ON)hs max.= 2.8? (電機驅(qū)動器低側(cè)的最大導(dǎo)通電阻)
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
熱模型
 
執(zhí)行器的簡化熱模型如圖2所示。這僅限于主要熱阻,足以考慮穩(wěn)態(tài)情況。 
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
圖2 : 簡化的熱模型
 
起始點是類似于HVC 4xyzF SDB-I v4.1的電路板,具有以下規(guī)格:
基材:FR4
厚度:1.6 mm
直徑:40 mm
層數(shù):兩個信號層
銅層:35 µm
熱通孔陣列:3 x 3
 
裸露焊盤(ePad)下方背面的銅表面:約0.75 cm²
此電路板最大 RthJA max約為32 K/W。因此,可能的電路板最大環(huán)境溫度會導(dǎo)致:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
通常,外殼內(nèi)的電路板和電機是緊密放置的。因此,為了計算外殼內(nèi)的溫度,還必須考慮電機的功率耗散。以熱阻為11 K/W的塑料外殼為例。為簡單起見,電機損耗(PMotor)僅通過銅損來描述(銅損占電機耗散的大部分)。此處,假設(shè)電機相位的歐姆電阻為RPhase = 12?。此時功率耗散為PMotor = 2 x IPhase_rms² × RPhase = 1.5。此時外殼中的總功率耗散(Ptot):
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
因此,執(zhí)行器外殼上的溫度梯度確定為:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
如果將此溫度梯度添加到所要求的執(zhí)行器最高環(huán)境溫度(85°C),則結(jié)果是內(nèi)部外殼溫度為116.4°C。
 
先前計算出的電路板最高環(huán)境溫度(107.4°C)(不含電機和外殼)與現(xiàn)已確定的外殼內(nèi)部溫度(116.4°C)之間存在9K的差距。必須采取適當(dāng)措施來彌補差距。
 
按需運行
 
減少功率耗散的最好方法是杜絕其發(fā)生。按這種方法,所使用的外圍模塊應(yīng)該只在真正需要時才處于激活狀態(tài)。
 
識別消耗者 
 
目前,HVC 4223F中最大的消耗者是(典型值):
ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 8mA
BEMFC(BEMF-比較器) 1.3mA
EPWM(增強型脈寬調(diào)制) 1.1mA
 
電機運行時,無法禁用BEMFC和EPWM。通常還必須在駐留時間內(nèi)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩,因此電機始終處于運行狀態(tài)。 相比之下,ADC不是永久需要的,而是僅在特定的定期時間需要。由于ADC也是最大的消耗者,因此基于需求的運行可以顯著節(jié)能。
 
在步進(jìn)電機應(yīng)用中,ADC通常用于測量反電動勢,以識別過載和與之相關(guān)的步進(jìn)損耗。如果假設(shè)步進(jìn)速度為每秒1000步,則ADC必須每秒激活1000次。
 
由于Von 1µs 的轉(zhuǎn)換時間很短,即使每個事件使用8個連續(xù)轉(zhuǎn)換,也可以獲得0.02的脈沖控制因子Ton/Tperiod。由此,ADC的平均電流消耗為
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
因此模塊的電流消耗可降低7.84mA。功率耗散相應(yīng)降低7.84mA × 16V = 125.4mW。
 
降低CPU時鐘速度
 
通常,嵌入式執(zhí)行器中的軟件是由事件控制的,即動作由中斷觸發(fā)。大部分時間CPU都參與后臺任務(wù)并等待新事件。事件可以是內(nèi)部事件(如定時器中斷)或外部事件(如過壓/欠壓中斷)。
 
按需調(diào)速
 
HVC 4223F可以動態(tài)地更改CPU時鐘速度。對于非時間關(guān)鍵性的后臺任務(wù),可通過降低時鐘速度來減少電流消耗。一旦出現(xiàn)中斷,µC就可以獨立切換到最大時鐘速度,并且能夠以最大速度處理中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序結(jié)束時,軟件切換回較低的時鐘速度。
 
假如CPU在中斷服務(wù)例程上平均花費的時間份額為40%,這意味著CPU有60%的時間可以以較慢的時鐘速度工作,從而降低電流消耗。一個很好的折衷方案是為后臺任務(wù)選擇5MHz的CPU時鐘速度。速度為最大時鐘速度的四分之一時,可節(jié)省38%的電流,請參見 REF _Ref30777124 h * MERGEFORMAT VALUE 圖 3 。因此,總電流消耗(不含電機驅(qū)動器)降低了60% × 38% = 13.68%。
 
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圖 3 :HVC 4223F的電流消耗,標(biāo)準(zhǔn)化為20 MHz。
 
HVC 4223F的典型電流消耗(所有外設(shè)模塊關(guān)閉且fSYS = fCPU = 20 MHz)約為15mA。如此可節(jié)省15 mA × 13.68% = 2.052 mA。 功率耗散相應(yīng)降低2.052mA × 16V = 32.83 mW?
 
減少開關(guān)損耗 
 
電機驅(qū)動器中的開關(guān)損耗主要由電壓、電流和開關(guān)時間引起。電壓和電流均由外部需求決定,因而只能改變開關(guān)時間。HVC 4223F可分三個階段設(shè)置開關(guān)速度。最高設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相比,切換時間可減少一半以上。特別情況下必須檢查對電磁兼容性的影響。
 
假設(shè)電機驅(qū)動器中開關(guān)損耗占比從13%減少到5%。后續(xù)結(jié)果為:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
功率耗散相應(yīng)降低58 mW。
 
優(yōu)化電路板
帶裸露焊盤的QFN外殼結(jié)構(gòu)(見 REF _Ref31728978 h * MERGEFORMAT VALUE 圖 4 )的散熱主要發(fā)生在垂直方向。因此,將芯片下方的熱量通過電路板傳導(dǎo)到背面是絕對必要的。背面盡可能大的銅表面用于水平分布和散熱。
 
熱通孔
理想情況下,使用盡可能多的通孔(層間連接),讓熱量更快地通過導(dǎo)熱性差的板材料(例如,F(xiàn)R4 0.3W/m*K與銅380W/m*K相比)傳輸?shù)奖趁妗R环N具有成本效益的選擇是簡單的層間連接,但是在0.2毫米到0.3毫米的小直徑的情況下,仍有焊料流出的風(fēng)險。為避免焊料流出,建議使用樹脂填充通孔并覆銅。這是BGA封裝中使用的焊盤中通孔的最新技術(shù)。
 
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圖 4:帶裸露焊盤(ePad)的QFN40外殼。
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
圖 5:2×2通孔的標(biāo)準(zhǔn)化Rth。
 
合適的通孔數(shù)量為4×4或5×5。任何進(jìn)一步的增加只會導(dǎo)致熱阻的小幅降低,參見圖 5。
 
在符合機械穩(wěn)定性要求的前提下,可進(jìn)一步減小電路板的厚度。垂直方向的熱阻與電路板厚度成正比。
 
銅表面
也可以通過最大化連接到裸露焊盤的接地平面來改善散熱。通過布局優(yōu)化,約0.75cm²的初始銅表面可倍增至約1.5cm²。熱阻降低了2K/W。
與上述雙層電路板達(dá)到32K/W的熱阻相比,通過將銅表面背面倍增至1.5cm²并修改熱通孔為3×3到5×5陣列,可獲得26K/W的熱阻RthJA。
如果成本不是首要考慮因素,可通過將裸露焊盤連接到額外的內(nèi)層接地層,熱阻可顯著降低到20K/W以下。 將外層的銅層加倍至70µm則成本較低,但效果較差。最終,該電路板上可以實現(xiàn)1到2 K/W的降低。應(yīng)在早期階段考慮此選項。與額外的接地層相比,較厚的銅層也會影響信號層的布局。最終,最小的電路板走線寬度和距離增加一倍。
 
結(jié)果
通過優(yōu)化軟件,IC的功率耗散可降低216.2mW。電路板上的優(yōu)化措施可將熱阻(RthJA)降低6K/W。允許的電路板最高環(huán)境溫度的新計算結(jié)果為:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
通過簡單且具有成本效益的措施,與初始的電路板最高環(huán)境溫度106.7°C相比,可實現(xiàn)13.7K的改進(jìn)。
 
外殼溫度梯度的功率耗散降低,新計算結(jié)果為:
 
如何優(yōu)化嵌入式電機控制系統(tǒng)的功率耗散和溫度耗散?
 
與初始溫度梯度31.38K相比,相應(yīng)降低了2.38K。加上所要求的執(zhí)行器最高環(huán)境溫度(85°C),現(xiàn)在內(nèi)部外殼溫度為114°C。
 
總共可以實現(xiàn)16.08K的降低。9K差距已彌補,示例中計算的HVC 4223F的最高環(huán)境溫度(TA max.)現(xiàn)在可以保持為約6.4K。
 
結(jié)論
TDK的嵌入式電機控制器HVC 4223F易于使用且可智能地降低功率耗散。通過對軟件和電路板進(jìn)行經(jīng)濟有效的改進(jìn),可以顯著改善應(yīng)用的熱預(yù)算。
 
通過增加層數(shù)、銅層的厚度以及減少電路板本身的厚度,可以對電路板進(jìn)行額外的改進(jìn)。對于溫度要求較高的應(yīng)用,可以考慮采用鋁芯電路板以及通過金屬外殼散熱。
 
具有高內(nèi)存需求的應(yīng)用也可以借助于引腳和軟件兼容的衍生HVC 4420F。除了RAM和Flash雙倍存儲容量外,該IC還提供了內(nèi)存保護單元(MPU),為實時操作系統(tǒng)的使用做出了讓步。
 
此外,針對高溫應(yīng)用優(yōu)化的HVC 4223F版本未來將在最大勢壘層溫度和功率耗散降低方面具有更多優(yōu)勢。
(來源:TDK,作者:Hans Spirk,TDK-Micronas部門的應(yīng)用工程師。)
 
 
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