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馬達驅動

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東芝與Mikro合作推出馬達驅動IC開發評估板

東芝電子元件及儲存裝置株式會社宣布與MikroElektronika合作推出搭載東芝馬達驅動IC的Click boards開發評估板。Mikroe是一家設計和製造用於嵌入式系統開發的軟硬體工具的公司。客戶可透過Mikroe線上銷售直接訂購Click boards板。 東芝擁有高度集成的馬達驅動IC開發歷史,而在業界廣受推崇。產品包含控制多種應用中的直流有刷馬達、直流無刷馬達和步進馬達,多樣性的馬達驅動IC產品線,適用於工業設備、家電和OA自動化設備。 使用由Mikroe提供的Click boards以及電路圖和樣本軟體,可以讓工程師輕鬆地對東芝馬達驅動IC進行評估。所有的Click board評估板都能夠完全相容mikroBUS的開發套件。 直流有刷馬達DC MOTOR 6 CLICK搭載東芝TB67H451FNG的直流有刷電機驅動Click board為先進的PWM斬波式集成直流馬達驅動器TB67H451FNG採用東芝BiCD工藝製造,可支援從4.5V至44V的供電電壓範圍。H-Brdige MOSFET的低導通電阻有助於提供較大電流並產生較低熱量。TB67H451FNG並具備正轉、反轉、刹車和停止這四種電機工作模式。 直流有刷馬達DC MOTOR 14 CLICK搭載東芝TB67H450FNG-PWM斬波式直流馬達驅動IC。可支援從4.5V至44V的供電電壓範圍,供電電流最高可達3.5A。TB67H450FNG的低導通電阻MOSFET有助於降低功耗,進而提高電機工作效率。採用簡單的雙輸入控制,支援電機以正轉、反轉、刹車和停止這四種模式工作。 直流無刷電機BRUSHLESS 7 CLICK搭載東芝TC78B009FTG無需霍爾感測器即可驅動3相直流無刷電機。其還內置閉環(Closed Loop)速度控制功能,能在電壓和負載發生動態波動的情況下調節和保持電機轉速。內建非易失性記憶體(NVM)允許設計者創建並保存速度配置。綜合這些特性,減少對外部速度控制器的需求。 步進馬達STEPPER 10 CLICK搭載東芝TB67S128FTG其為一款雙相雙極步進電機驅動IC,絕對最大輸出為50V/5A。東芝的創新技術工藝幫助MOSFET驅動實現了低功耗以及0.25Ω的低導通電阻。它通過步進控制輸入簡化控制。步進控制輸入可雙向驅動步進電機,步長從全步到1/128步可調。此外,它也提供了先進的電流檢測系統、主動增益控制和多種錯誤檢測功能。 步進馬達STEPPER 8 CLICK搭載東芝TC78H670FTG為一款雙極步進電機驅動IC,可支援全步到1/128步的步進範圍。1/128步這樣的較小步長有助於降低電機產生的雜訊和振動,實現電機平穩運行。該IC可支援2.5V至16V的電壓範圍,適用於USB或電池供電應用。  
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東芝MOSFET採新製程提高電源效率

東芝(Toshiba)日前推出80V N溝道功率MOSFET為採用最新一代製程的「U-MOS X-H系列」。 產品適用於資料中心和通訊基地台中所用的工業設備的開關電源。 新產品為兩款封裝,一款為採用表面黏著SOP Advance封裝的TPH2R408QM以及TSON Advance封裝的TPN19008QM,並於即日起出貨。 由於採用了最新一代製程技術,比當前製程U-MOS VIII-H系列中的80V產品相比,新款80V U-MOS X-H產品的漏源導通電阻降低了大約40%。透過最佳化元件結構,漏源導通電阻與閘極電荷特性之間的平衡也得到了改善,此款IC可提供業界較低功耗。 應用場合包括開關電源(高效率AC-DC轉換器、DC-DC轉換器等)以及馬達控制設備(馬達驅動器等);至於產品特性包含低功耗(透過改善導通電阻與閘極電荷特性之間的平衡)、高額定通道溫度:Tch=175℃。而該產品低導通電阻:VGS=10V(TPH2R40QM)時,RDS(ON)=2.43mΩ(最大值);VGS=10V(TPN19008QM)時,RDS(ON)=19mΩ(最大值)
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MOSFET/封裝設計/切換頻率最佳化 服務型機器人驅動再進步

服務型機器人是高度複雜的系統,其中強調設計日趨精巧的極限,以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小,技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理,是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件,連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否,往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點,其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案,如氮化鎵(GaN)。 圖1 服務型機器人近年廣為工業使用 服務型機器人常見系統架構 在大多數情況下,最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件,但以上架構仍可作為良好的系統概述。 主CPU是中樞大腦,執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調,以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令,並將狀態回報主CPU(圖2)。 圖2 常見機器人系統架構方塊圖 大多數服務型機器人都是以電池驅動,以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器,可直接連接交流電網。在這類情況下,機器人內部包含充電器,以產生高電壓DC位準,並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢,特別是需要連續工作的機器人,因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。 如前所述,現今大多數機器人系統為電池驅動,因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全),同時也提供保護,避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中,安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能,例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外,電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V),向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器,或使用線性穩壓器。 機器人配備無線通訊模組,能夠與其他機器人或控制單元等系統互連,即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下,本機控制器負責通訊程序,作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。 越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面,但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧,能夠透過語言與使用者互動,因此需要語音輸入及輸出裝置。 此外,服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境,就需要更多類型的感測器,例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器,或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力,提升了機器人的自主能力,特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。 最後,驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作,設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器;或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求,設計人員將選擇有刷馬達,受益於該類解決方案較低的成本。此外,也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達,以同時滿足效能和成本效益等目標。 簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後,接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能,以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。 加強MOSFET品質因素 減少切換/傳導損耗 最佳化機器人電池壽命方法之一,就是提升機器人馬達的效率,以減少功率損耗。在馬達應用中,傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數,其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容),在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。 若視控制方法而定,便可發現不同損耗。使用同步整流時,如果電流飛輪通過其本體二極體,低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF),因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低;不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題,採用整合式肖特基二極體的MOSFET,可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體),可透過字尾LSI識別,例如BSC010N04LSI。 圖3顯示功率損耗分析,於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V,選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。 圖3 功率損耗分析,顯示高側(HS)及低側(LS)MOSFET及本體二極體(D)損耗的傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗。低側本體二極體損耗主要為傳導損耗,可使用LSI零件降低。 燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗,在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現: 1.低側MOSFET允許軟切換,因此切換損耗可忽略不計。 2.低側二極體的傳導損耗,是迄今為止最主要的損耗來源。 3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體,大約可降低25%的傳導損耗,降低幅度取決於電流位準等系統條件。 切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高,損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET,可大幅降低這兩種損耗;不過損耗不可避免,電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一,特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。 DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝,直接連接金屬封裝及內部的矽晶片,而矽晶片則直接連接底部PCB,盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部,並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中,或可選擇使用散熱器,因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型,也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。 圖4 比較DirectFET和D2PAK封裝的熱阻,DirectFET封裝可在高密度驅動器最佳化熱設計 高切換頻率驅動使馬達控制更精確 工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻,提供比矽替代品更低的導通損耗,以更低電容減少切換損耗,或改善本體二極體逆復原,使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能,例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中,這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。 隨著切換頻率增加,必須調整控制器。其中應考量PWM解析度,以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品,配備高解析度PWM模組,用於此類高解析度迴路用途,特別是在切換頻率增加時。此外,切換頻率升高時,必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式,就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合,其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0,乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX,因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率,可以加強馬達動態,進而實現更精確的控制。 而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作,此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。 圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法,如磁場導向控制(FOC)。 圖5 使用標準ARM Cortex-M0和XMC1300進行餘弦和除法函數的標準化執行時間 傳導/切換損耗最小化 機器人開發技術再提升 工程師重視驅動器的設計參數,以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數,訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統,設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗,並最佳化熱管理。 採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓,進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計,提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎,打造切換頻率更高的驅動器,在精度及占用面積等層面提供協助。 (本文作者為英飛凌科技應用工程師)
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東芝100V N通道功率MOSFET助降低車用設備功耗

東芝(Toshiba)日前推出100V N通道功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)—XK1R9F10QB,其適用於汽車的48V設備應用,例如負載開關、開關電源和馬達驅動。出貨即日啟動。 這款新產品是東芝採用溝槽結構的新型U-MOS X-H系列MOSFET中的首款產品,採用該公司的最新一代製程。它採用低電阻TO-220SM(W)封裝,提供低導通電阻,最大導通電阻為1.92mΩ,與目前的TK160F10N1L相比降低約20%,這有助於降低設備功耗。由於電容特性得到最佳化,還提供更低的開關雜訊,進而減少設備的EMI。此外,將閾值電壓寬縮小至1V,可以增強並聯時的開關同步性。 其主要特性包括採用溝槽結構的U-MOS X-H系列MOSFET,同時具低導通電阻,於 VGS=10V時,RDS(ON)=1.92mΩ(最大值);此外,亦符合AEC-Q101要求。 而該產品應用領域亦包含汽車設備(負載開關、開關電源和馬達驅動等)。
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Power Integrations發布BLDC馬達驅動器IC系列新品

Power Integrations近日宣布推出BridgeSwitch整合半橋式(IHB)馬達驅動器IC系列。BridgeSwitch IC採用高壓側和低壓側進階快速恢復型二極體場效應電晶體(FREDFET),同時整合了無功損電流感測功能,使得無刷直流(BLDC)馬達驅動器應用中的變頻器轉換效率高達98.5%,達到300W。與IHB驅動器提供的分布式散熱占位面積相比,該產品無需散熱片,從而降低了系統成本和重量。整合無功損電流感測、匯流排電壓感測和系統級散熱感測,使得該裝置系列成為家電應用中BLDC馬達的理想選擇。BridgeSwitch裝置面向冰箱壓縮機、HVAC系統風扇以及其他住宅和輕型商用泵、風扇和送風機。 BridgeSwitch IC中使用的600V FREDFET整合了快速、超軟恢復型主體二極體。這極大地降低了切換期間的功損並減少了雜訊的產生,從而簡化了系統級EMC。新型高壓、自供電、半橋式馬達驅動器IC還採用內置裝置防護和系統監控功能,以及穩健的單線狀態更新介面,可實現馬達-微控制器與最多三個BridgeSwitch裝置之間的通訊。每個BridgeSwitch裝置可配置有不同的高壓側和低壓側電流限制,毋須使用微控制器和外部電路來防護系統免受開路或短路馬達繞組的影響。
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東芝推直流馬達驅動IC新品

東芝近日推出一款全新並量產的整合式雙H橋有刷直流馬達驅動器IC--TB67H401FTG,其配備有額定值為50V/3.0A的輸出限流器。此款IC適用於辦公室設備、ATM、家電用品、掃地機器人等需要監控和回饋馬達狀態的應用場合。這些設備常採用有刷直流馬達,近年來越來越受到歡迎。   目前為止,市面上有刷直流馬達一直是透過限制馬達電流上限值,即透過定電流限制來實現安全控制。過電流由馬達堵轉產生,其通過外部電路、運算放大器和比較器從外部電阻偵測讀取,因此增加了元件數量和電路複雜度。   另外,此IC共支援四種驅動模式:正轉(CW)、反轉(CCW)、剎車(短路閘)、止動(OFF)。它還包括一個模式切換功能,因此有效擴展了應用範圍。單電橋模式支援高達6.0A的單通道電流,而雙電橋模式可使用兩台馬達,每個通道各驅動一個高達3.0A的馬達。   這一微小元件採用7mm×7mm×0.9mm QFN48封裝,支持過熱保護、過流保護和欠壓鎖定。通用錯誤檢測訊號可向主系統控制器提供警告,因此提高了系統的安全性。
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英飛凌新品適用於1kW小型馬達驅動

英飛凌(Infineon)推出新一代TRENCHSTOP IGBT6技術。此分立式產品具備650V阻斷電壓,並針對需要長使用時間、高可靠性及高效率的特定應用進行最佳化,例如:主要家電與小型家電、工業縫紉機,以及用於風扇、幫浦及其他BLDC馬達中的通用型馬達。 其溝槽(Trench)及場終止(Field-Stop)技術與軟性、快速回復的反相並聯Rapid1二極體共同封裝,可減少損耗,具備良好的散熱效能,特別是在較高的切換頻率下,因此可提升可靠性及設計餘量,為高達1kW的馬達驅動奠定基礎。650V TRENCHSTOP IGBT6的主要特色包括極低的VCE(sat)與Vf,以及3μsec的短路保護能力,並針對5kHz至30kHz範圍內的切換頻率進行最佳化,適用於需要有效控制EMI雜訊的應用。
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