您当前的位置:每日IT网365bet亚洲足球正文

电机驱动器电路PCB设计的5条铁律

发布日期:2019-10-10 作者:责任编辑NO。姜敏0568

PCB( Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器材的支撑体,是电子元器材电气衔接的载体。由于它是选用电子印刷术制造的,故被称为“印刷”电路板。

直流电机驱动电路的规划方针

在直流电机驱动电路的规划中,首要考虑以下几点:

1. 功用:电机是单向仍是双向滚动?需不需求调速?关于单向的电机驱动,只需用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可,当电机需求双向滚动时,能够运用由4个功率元件组成的H桥电路或许运用一个双刀双掷的继电器。假设不需求调速,只需运用继电器即可;但假设需求调速,能够运用三极管,场效应管等开关元件完成PWM(脉冲宽度调制)调速。

2. 功能:关于PWM调速的电机驱动电路,首要有以下功能指标。

1)输出电流和电压规模,它决议着电路能驱动多大功率的电机。

2)功率,高的功率不只意味着节约电源,也会削减驱动电路的发热。要进步电路的功率,能够从确保功率器材的开关作业状况和防止共态导通(H桥或推挽电路或许呈现的一个问题,即两个功率器材一同导通使电源短路)下手。

3)对操控输入端的影响。功率电路对其输入端应有杰出的信号阻隔,防止有高电压大电流进入主控电路,这能够用高的输入阻抗或许光电耦合器完成阻隔。

4)对电源的影响。共态导通能够引起电源电压的瞬间下降形成高频电源污染;大的电流或许导致地线电位起浮。

5)牢靠性。电机驱动电路应该尽或许做到,不管加上何种操控信号,何种无源负载,电路都是安全的。

1.输入与电平转化部分:

输入信号线由DATA引进,1脚是地线,其他是信号线。留意1脚对地衔接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机别离供电时,这个电阻能够供给信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时,这个电阻能够防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线形成搅扰。或许说,相当于把驱动板的地线与单片机的地线离隔,完成“一点接地”。

高速运放KF347(也能够用TL084)的效果是比较器,把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较,转化成挨近功率电源电压起伏的方波信号。KF347的输入电压规模不能挨近负电源电压,不然会犯错。因而在运放输入端添加了防止电压规模溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流,一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。

不能用LM339或其他任何开路输出的比较器替代运放,由于开路输出的高电平状况输出阻抗在1千欧以上,压降较大,后边一级的三极管将无法截止。

2.栅极驱动部分:

后边三极管和电阻,稳压管组成的电路进一步扩大信号,驱动场效应管的栅极并运用场效应管自身的栅极电容(大约1000pF)进行延时,防止H桥上下两臂的场效应管一同导通(“共态导通”)形成电源短路。

当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能彻底到达零)时,下面的三极管截止,场效应管导通。上面的三极管导通,场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能彻底到达VCC)时,下面的三极管导通,场效应管截止。上面的三极管截止,场效应管导通,输出为低电平。

上面的剖析是静态的,下面评论开关转化的动态进程:三极管导通电阻远小于2千欧,因而三极管由截止转化到导通时场效应管栅极电容上的电荷能够敏捷开释,场效应管敏捷截止。可是三极管由导通转化到截止时场效应管栅极经过2千欧电阻充电却需求必定的时刻。相应的,场效应管由导通转化到截止的速度要比由截止转化到导通的速度快。假设两个三极管的开关动作是一同发生的,这个电路能够让上下两臂的场效应管先断后通,消除共态导通现象。

实践上,运放输出电压改变需求必定的时刻,这段时刻内运放输出电压处于正负电源电压之间的中心值。这时两个三极管一同导通,场效应管就一同截止了。所以实践的电路比这种抱负状况还要安全一些。

场效应管栅极的12V稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般的场效应管栅极的耐压是18V或20V,直接加上24V电压将会击穿,因而这个稳压二极管不能用一般的二极管替代,可是能够用2千欧的电阻替代,相同能得到12V的分压。

3.场效应管输出部分:

大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥运用时,相当于输出端现已并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因而这儿就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对下降电机发生的尖峰电压有必定的优点,可是在运用PWM时有发生尖峰电流的副效果,因而容量不宜过大。在运用小功率电机时这个电容能够省略。假设加这个电容的话,必定要用高耐压的,一般的瓷片电容或许会呈现击穿短路的毛病。

输出端并联的由电阻和发光二极管,电容组成的电路指示电机的滚动方向.

4.功能指标:

电源电压15~30 V,最大继续输出电流5A/每个电机,短时刻(10秒)能够到达10A,PWM频率最高能够用到30KHz(一般用1到10KHz)。电路板包括4个逻辑上独立的,输出端两两接成H桥的功率扩大单元,能够直接用单片机操控。完成电机的双向滚动和调速。

5.PCB的布局布线:

大电流线路要尽量的短粗,而且尽量防止经过过孔,必定要经过过孔的话要把过孔做大一些(>1mm)而且在焊盘上做一圈小的过孔,在焊接时用焊锡填满,不然或许会烧断。别的,假设运用了稳压管,场效应管源极对电源和地的导线要尽或许的短粗,不然在大电流时,这段导线上的压降或许会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其焚毁。

在一开始的规划中,NMOS管的源极于地之间从前接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断焚毁板子的元凶巨恶。当然假设把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

电机驱动电路的PCB 需求选用特别的冷却技能,以处理功耗问题。印刷电路板 (PCB) 基材(例如 FR-4 环氧树脂玻璃)的导热性较差。相反,铜的导热性十分超卓。因而,从热办理视点来看,添加 PCB 中的铜面积是一个抱负计划。厚铜箔(例如:2 盎司(68 微米厚))的导热性优于较薄的铜箔。可是,运用厚铜箔的本钱较高,而且难以完成精密的几许形状。

因而,运用 1 盎司(34 微米)铜箔变得很常见。外层一般运用? 盎司到1 盎司的铜箔。多层电路板内层运用的固体铜面具有杰出的散热性。可是,由于这些铜面一般都置于电路板叠层的中心,因而热量会集合在电路板内部。添加 PCB 外层的铜面积,并经由许多通孔衔接或“缝接”至内层,有助于将热量搬运到内层外部。

由于存在走线和元件,双层 PCB 的散热或许会愈加困难。因而,尽或许多地供给固体铜面,并完成与电机驱动器 IC 的杰出热衔接显得十分必要。在两个外层上都添加覆铜区,并将其与许多通孔衔接在一同,有助于由走线和元件切割的各区域间散热。

a、走线宽度:越宽越好

由于电机驱动器 IC 的进出电流较大(在一些状况下超越 10 A),因而应慎重考虑进出器材的 PCB 走线宽度。走线越宽,电阻越低。有必要调整走线尺度,以使走线电阻不会耗费过多功率,防止导致走线升温。太小的走线其实能够作为电熔丝,而且简单烧断!

规划师一般运用 IPC-2221 规范来确认恰当的走线宽度。这一规范针对各种电流电平缓答应的温升供给了显现铜横截面积的相应图表,可转化为给定铜层厚度条件下的走线宽度。例如 1 盎司铜层中承载 10 A 电流的走线需求稍宽于 7 mm,以完成 10℃的温升。针对 1-A 电流,走线宽度只需为 0.3 mm。

鉴于此,10 A 电流好像不或许经过微型 IC 板。

需求了解的是,IPC-2221 中主张的走线宽度适用于等宽长距离 PCB 走线。假设选用更短的PCB 走线也有或许经过更大得多的电流,且不会发生任何不良效果。这是由于短而窄的 PCB 走线电阻较小,且发生的任何热量都将被吸收至更宽的铜区域,而该区域则起到了散热片的效果。

加宽 PCB 走线,以使 IC 板能够更好地处理继续电流。

拜见图中的示例。虽然该器材的 IC 板只要 0.4 mm 宽,但它们有必要承载高达 3 A 的继续电流。所以咱们需求尽或许地将走线加宽,并接近器材。走线较窄部分发生的任何热量被传导至较宽的铜区域,以使较窄走线的温升能够忽略不计。嵌入在 PCB 内层的走线无法像外层的走线相同充沛散热,由于绝缘基板的导热性欠安。为此,内层走线应规划为外层走线的约两倍宽。

作为一个大致的指导方针,下表显现了电机驱动器运用中较长走线(超越大约 2 cm)的主张走线宽度。

假设空间答应,运用更宽走线或覆铜区的布线可使温升和压降到达最低。

b、热通孔:尽或许多地运用

通孔是小型的电镀孔,一般用于将一根走线从一层穿至另一层。虽然热通孔选用相同的方法制成,但却用于将热量从一层传至另一层。恰当运用热通孔关于 PCB 的散热至关重要,可是有必要考虑几个工艺性问题。

通孔具有热阻,这意味着当热量流过通孔时,通孔之间会呈现一些温降,丈量单位为℃/W。为使这一热阻降至最低,并进步通孔传输热量时的功率,应运用大通孔,且孔内应含有尽或许多的铜面积。

应运用大通孔(图为通孔的横截面),且孔内应含有尽或许多的铜面积,以使热阻降至最低。

虽然在 PCB 的开口区域能够运用大通孔,但通孔往往置于 IC 板区域内,以直接从 IC 封装中搬运热量。在这种状况下,无法运用大通孔。这是由于大型的电镀通孔或许会导致“渗锡”,即用于衔接 IC 与 PCB 的焊料向下流入通孔中,然后导致焊接点质量欠安。

能够经过几种方法来削减渗锡。其间一种是运用十分小的通孔,以削减进入到孔中的焊料量。可是,小型通孔的热阻更高,因而为完成相同的热力功能,需求更多的通孔。另一种技能是在板的不和为通孔“搭帐篷”。这需求移除板不和阻焊层中的缺口,以使阻焊层资料盖住通孔。假设通孔较小,阻焊层将塞住通孔;因而,焊料就无法浸透 PCB。

不过,这或许会发生别的一个问题:焊剂集合。通孔被塞住后,通孔中或许会集合焊剂(焊膏的一种成分)。一些焊剂配方或许具有腐蚀性,如不去除,时刻一长会导致牢靠性问题。不过,现代大多数免清洗焊剂工艺不具有腐蚀性,且不会导致问题。

请留意,热通孔不得运用热风焊盘,它们有必要直接衔接至铜区域。

热通孔应直接衔接PCB 上的铜区域。

主张 PCB 规划人员与外表贴装技能 (SMT) 工艺工程师一同查看 PCB 拼装件,以挑选适用于该拼装件工艺的最佳通孔尺度和结构,尤其是当热通孔置于 IC 板区域内时。

c、电容的布放

电机驱动器 IC 的元件布局攻略与其他类型的电源 IC 相似。旁路电容器应尽或许地接近器材电源引脚,而大容量电容器则置于其周围。许多电机驱动器 IC 运用引导和/或电荷泵电容器,其相同应置于 IC 邻近。

大多数信号直接在顶层路由。电源从大容量电容器路由至底层的旁路和电荷泵电容器,一同在各层过渡之处运用多个通孔。

TSSOP 和 QFN 封装的器材底层有一个较大的显露式 IC 板。该 IC 板衔接至芯片的不和,用于去除器材中的热量。该 IC 板有必要充沛焊接至 PCB 上,以耗费功率。

为堆积该 IC 板的焊膏而运用的模具开口并不必定会在 IC 数据表中具体阐明。一般,SMT 工艺工程师对模具上应堆积多少焊料以及模具应运用何种图画有其自己的规矩。

假设运用相似于 IC 板巨细的单个开口,则会堆积很多焊膏。这样或许会因焊料熔化时的外表张力而导致器材被抬起。另一个问题是焊料空泛(焊料区域内的空腔或缺口)。在回流焊进程中,焊剂的挥发性成分蒸腾或欢腾时,就会呈现焊料空泛。这或许会导致焊料被推出焊接点。

为处理这些问题,针对面积大于约 2 平方毫米的 IC 板,焊膏一般堆积在几个小的方形或圆形区域。将焊膏分红更小的区域可使焊剂的挥发性成分更易于逸散出焊膏,而不会使焊料移位。

QFN 封装的该焊料模有四个小开口,用于堆积中心IC 板上的焊膏。

SOT-23 和 SOIC 封装

规范的引线封装(如 SOIC 和 SOT-23 封装)一般用于低功率电机驱动器中。

为了充沛进步引线封装的功耗才能,选用“倒装芯片引线结构”结构。在不运用接合线的状况下,运用铜凸点和焊料将芯片粘接至金属引线,然后可经过引线将热量从芯片传导至 PCB。

倒装芯片引线结构结构有助于充沛进步引线封装的功耗才能。

经过将较大的铜区域衔接至承载较大电流的引线,可优化热功能。在电机驱动器 IC 上,一般电源、接地和输出引脚均衔接至铜区域。

如下图所示为“倒装芯片引线结构”SOIC 封装的典型 PCB 布局。引脚 2 为器材电源引脚。请留意,铜区域置于顶层器材的邻近,一同几个热通孔将该区域衔接至 PCB 不和的铜层。引脚 4 为接地引脚,并衔接至表层的接地覆铜区。引脚 3(器材输出)也被路由至较大的铜区域。

请留意,SMT 板上没有热风焊盘;它们牢牢地衔接至铜区域。这对完成杰出的热功能至关重要。

QFN 和 TSSOP 封装

TSSOP 封装为长方形,并运用两排引脚。电机驱动器 IC 的 TSSOP 封装一般在封装底部带有一个较大的显露板,用于扫除器材中的热量。

TSSOP 封装一般在底部带有一个较大的显露板,用于扫除热量。

QFN 封装为无引线封装,在器材外缘周围带有板,器材底部中心还带有一个更大的板。这个更大的板用于吸收芯片中的热量。

为扫除这些封装中的热量,显露板有必要进行杰出的焊接。显露板一般为接地电位,因而能够接入 PCB 接地层。

在抱负状况下,热通孔直接坐落板区域。在的 TSSOP 封装的示例中,选用了一个 18 通孔阵列,钻孔直径为 0.38 mm。该通孔阵列的核算热阻约为 7.7°C/W。

选用了一个 18 热通孔阵列的 TSSOP 封装 PCB 布局

一般,这些热通孔运用 0.4 mm 及更小的钻孔直径,以防止呈现渗锡。假设 SMT 工艺要求运用更小的孔径,则应添加孔数,以尽或许坚持较低的整体热阻。

除了坐落板区域的通孔,IC 主体外部区域也设有热通孔。在 TSSOP 封装中,铜区域可延伸至封装结尾之外,这为器材中的热量穿过顶部的铜层供给了另一种途径。

QFN 器材封装边际四周的板防止在顶部运用铜层吸收热量。有必要运用热通孔将热量遣散至内层或 PCB 的底层。

图中的 PCB 布局所示为一个小型的 QFN (4 × 4 mm) 器材。在显露板区域中,只包容了九个热通孔。因而,该 PCB 的热功能不及 TSSOP 封装。

倒装芯片 QFN 封装

倒装芯片 QFN (FCQFN) 封装与惯例的 QFN 封装相似,但其芯片采纳倒装的方法直接衔接至器材底部的板上,而不是运用接合线衔接至封装板上。这些板能够置于芯片上的发热功率器材的不和,因而它们一般以长条状而不是小板状安置。

这些封装在芯片的外表选用了多排铜凸点粘接至引线结构。

FCQFN 封装在芯片的外表选用了多排铜凸点粘接至引线结构

小通孔可置于板区域内,相似于惯例 QFN 封装。在带有电源和接地层的多层板上,通孔可直接将这些板衔接至各层。在其他状况下,铜区域有必要直接衔接至板,以便将 IC 中的热量吸入较大的铜区域中。

下图器材具有较长的电源和接地板,以及三个输出口。请留意,该封装只要 4 × 4 mm 巨细。

FCQFN封装IC的 PCB 布局

器材左边的铜区域为功率输进口。这个较大的铜区域直接衔接至器材的两个电源板。

三个输出板衔接至器材右侧的铜区域。留意铜区域在退出板之后尽或许地扩展。这样能够充沛将热量从板传递到环境空气中。

一同,留意器材右侧两个板中的数排小通孔。这些板均进行了接地,且 PCB 不和放置了一个实心接地层。这些通孔的直径为 0.46 mm,钻孔直径为 0.25 mm。通孔满足小,合适置于板区域内。

综上所述,为了运用电机驱动器 IC 施行成功的 PCB 规划,有必要对 PCB 进行精心的布局。因而,本文供给了一些实用性的主张,以希望能够协助 PCB 规划人员完成PCB板杰出的电气和热功能。

“如果发现本网站发布的资讯影响到您的版权,可以联系本站!同时欢迎来本站投稿!

?
?