【導讀】本文以基于TDK電機控制IC HVC 4223F的步進電機執(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必須通過結(jié)合眾多適當?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：步進電機執(zhí)行器
以基于HVC 4xyzF SDB-I v4.1電路板的步進電機執(zhí)行器為例進行檢驗。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 。
圖1 : 步進電機執(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
熱預算
可能的最高環(huán)境溫度（TA）是根據(jù)IC的預期功率耗散（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：
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。
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)制晶體管的標準設(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：
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。
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)的最大導通電阻）
RDS(ON)hs max.= 2.8? （電機驅(qū)動器低側(cè)的最大導通電阻）
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。
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)境溫度會導致：
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）：
因此，執(zhí)行器外殼上的溫度梯度確定為：
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)的步進損耗。如果假設(shè)步進速度為每秒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
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%。
圖 3 ：HVC 4223F的電流消耗，標準化為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)置與標準設(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：
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?。一種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)。
圖 4：帶裸露焊盤（ePad）的QFN40外殼。
圖 5：2×2通孔的標準化Rth。
合適的通孔數(shù)量為4×4或5×5。任何進一步的增加只會導致熱阻的小幅降低，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：
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。
外殼溫度梯度的功率耗散降低，新計算結(jié)果為：
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行經(jīng)濟有效的改進，可以顯著改善應(yīng)用的熱預算。
通過增加層數(shù)、銅層的厚度以及減少電路板本身的厚度，可以對電路板進行額外的改進。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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