電池供電馬達控制方案為設計人員帶來多項挑戰(zhàn)，例如，優(yōu)化印刷電路板熱效能至今仍十分棘手且耗時；但現在，應用設計人員可利用現代化電熱仿真器輕松縮短上市時間。

如今，電池供電馬達驅動解決方案通?？捎脴O低的工作電壓提供數百瓦的功率。在此類應用中，為確保整個系統(tǒng)的效能和可靠性，必須正確管理馬達驅動設備的電流。事實上，馬達電流可能會超過數十安培，導致變流器內部耗散功率提升。為變流器組件施加較高的功率將會導致運作溫度升高，效能下降，如果超過最額定功率，甚至會突然停止運作。

優(yōu)化熱效能同時縮小大小，是變流器設計過程中的重要一環(huán)，若處理不當便可能埋下禍根。用現場驗證方法依續(xù)改善樣品生產可解決此問題，但電熱評估是完全分開的兩個過程，并且在設計過程中從未考慮電 - 熱偶合效應，故經常導致多次重復設計與延長產品上市時間。

目前電熱評估有一種更有效的替代方法可利用現代化模擬技術，優(yōu)化馬達控制系統(tǒng)的電熱效能。Cadence Celsius Thermal Solver溫度仿真器為可用于系統(tǒng)分析的電熱協同仿真軟件，可在短短幾分鐘內從電熱兩個角度全面精準地評估設計效能。意法半導體用Celsius軟件改善EVALSTDRIVE101評估板的熱效能，開發(fā)出輸出電流高達15 Arms的三相無刷馬達變流器，提供開發(fā)變流器的終端應用設計人員作參考。文中將講解如何減少熱優(yōu)化工作量，并讓EVALSTDRIVE101達到生產級解決方案。

EVALSTDRIVE101
EVALSTDRIVE101基于75 V三半橋閘極驅動器STDRIVE101和六個連成三個半橋的STL110N10F7功率MOSFET開關二極管。STDRIVE101采用4x4mm四方扁平無腳位（QFN）封裝，整合安全保護功能，適合電池供電解決方案。

Celsius顯著地簡化了EVALSTDRIVE101的熱電效能優(yōu)化過程，能于短時間做到尺寸精密的可靠設計。以下所示的仿真結果用于反復調整組件的位置，優(yōu)化板層和繞線的形狀，調整板層厚度，增加或移除通孔，最終取得生產級變流器解決方案。優(yōu)化后，EVALSTDRIVE101是一塊覆銅2oz的四層PCB板，寬11.4公分，高9公分，且使用36 V電池電壓可向負載提供高達15 Arms電流。熱學方面，EVALSTDRIVE101最關鍵的地方是功率級區(qū)域，其中包括功率MOSFET開關二極管、分流電阻、陶瓷旁路電容、大容量電解電容和連接器。

此部分之布局設計被大幅縮小，僅占整個電路板尺寸的一半，即50cm2。該MOSFET的擺放與繞線都經過慎重考慮，因為在運作期間，變流器大部分功率損耗皆由這些開關二極管造成的。所有MOSFET汲極端子的覆銅面積在頂層最大，其它層則盡可能維持相同大小或加大，以改善向底層表面導熱的熱傳輸效率。

如此一來，電路板的正面和背面皆有助于空氣自然對流和熱輻射。直徑0.5mm的通孔負責各層之間的電連接和熱傳輸，促進空氣流動并改善冷卻效果。通孔網格位于MOSFET裸露焊盤的正下方，但通孔直徑縮小至0.3mm，以防止錫膏于孔中回流。

預估功耗

EVALSTDRIVE101的熱優(yōu)化過程從評估變流器運行期間的耗散功率開始，變流器是溫度仿真器的一個輸入端。變流器損耗分兩類：在電路板繞線內因焦耳效應產生的功率損耗和電子組件造成的功率損耗。雖然Celsius可透過直接導入電路板設計數據精確計算電流密度和電路板損耗，但是，還必須考慮電子組件引起的損耗。雖然電路仿真器可以提供非常準確的結果，但我們還是決定用簡化的公式算出合理的功率損耗，提出近似值。事實上，制造商可能無法獲得組件的電氣模型，且因缺乏建模數據，難以或無法從頭開始建模，而我們提供的公式僅需要產品數據手冊的基本信息。排除次生現象，引起變流器耗散功率的主要原因是分流電阻器Psh和MOSFET內部的功率損耗。這些損耗包含：導通損耗Pcond、開關損耗Psw和二極管壓降損耗Pdt每個MOSFET的預估耗散功率為1.303 W，每個分流電阻器的預估耗散功率為 0.281 W。

熱模擬

Celsius供設計人員進行熱仿真實驗，包含系統(tǒng)電氣分析，顯示走線和通孔的電流密度和電壓降。這些仿真試驗要求設計人員必須在系統(tǒng)中使用電路模型，定義相關電流回路。圖1所示是EVALSTDRIVE101的每個半橋所用的電路模型。模型包括位于輸出和電源輸入之間的兩個恒流源產生器和三個旁通 MOSFET和分流電阻器的短路。這兩個電流回路與整個電源軌和接地層的實際平均電流非常接近，而輸出路徑電流略微高一點，便于評估設計穩(wěn)定性。

 
圖1 : 電流環(huán)路模型

圖2和圖3顯示了電流為15 Arms的EVALSTDRIVE101的電壓降和電流密度。對地參考電壓的壓降突出了這個板子的設計經特別優(yōu)化，沒有瓶頸，并且U、V和W的輸出端在43 mV、39 mV 和 34 mV時電壓降非常均衡。U輸出端的壓降最大，而W輸出端的壓降是三者中最低的，因為W埠到電源連接器的路徑長度較短。電流于各個路徑中分布均衡，平均密度低于15 A/mm2，正是電源走線尺寸的推薦值。在MOSFET、分流電阻器和連接器附近的一些區(qū)域是紅色的，這代表電流密度較高，因為這些組件的端子比下面的電源繞線小。然而，最大電流密度遠低于50 A/mm2的限制，可能于實際應用中引發(fā)可靠性問題。



 
圖2

 
圖3 : 內層電壓降模擬

仿真器供設計人員安裝并進行穩(wěn)態(tài)模擬或瞬時模擬測試。穩(wěn)態(tài)仿真提供板層和組件的2D溫度圖，而瞬時仿真則提供每個仿真時刻的溫度圖和升溫曲線，但仿真時間更長。穩(wěn)態(tài)模擬工具可以用于瞬時模擬，但還需要另外為組件定義耗散功率函數。瞬時仿真適用于為系統(tǒng)定義工作狀態(tài)、電源非同時運作與評估達到穩(wěn)態(tài)溫度所需的時間。

EVALSTDRIVE101的仿真實驗之環(huán)境溫度條件是28 °C，并以傳熱系數作為邊界條件，組件分析采用雙電阻熱模型代替Delphi等復雜的熱模型，可直接從組件數據手冊中獲得模型，但會稍微犧牲模擬精確度。圖4所示為EVALSTDRIVE101的穩(wěn)態(tài)模擬結果，圖5是瞬時模擬結果。瞬時仿真使用階躍功率函數，以零時間啟用所有MOSEFT和分流電阻器。仿真結果確定U半橋區(qū)域是電路板上最熱的區(qū)域。Q1 MOSFET（高側）溫度為94.06°C，緊隨其后的是Q4 MOSFET（低側）、R24和R23分流電阻器，分別為93.99°C、85.34°C 和85.58°C。

 
圖4

 
圖5 : U端口半橋組件升溫仿真值

熱示性實驗設備

EVALSTDRIVE101熱效能實驗示性是在組裝完成的電路板上進行的。為方便實驗，沒有用連接到制動臺的馬達，而是考慮使用一個等效的測試臺，如圖6所示。EVALSTDRIVE101連接到控制板，生成所需的驅動訊號，并放置在有機玻璃箱內，以獲得空氣對流冷卻，避免意外的空氣對流。在盒子上方放置了一臺熱成像攝影機（日本航空電子公司的 TVS-200型），透過盒蓋上的一個孔，將電路板全部收入拍攝框內。電路板輸出端連接一個三相負載，驅動系統(tǒng)使用36 V電源。負載是由三個連成星形結構的線圈組成，以模擬真實的馬達工作特性。每個線圈皆為30 A的飽和電流、300μH的電感和25 mΩ的寄生電阻。低寄生電阻大幅降低線圈內部的焦耳熱效應，有利于電路板和負載之間的功率無損傳輸。透過控制板施加適當的正弦電壓，在線圈內部產生三個15 Arms的正弦電流。使用這種方法，功率級運作環(huán)境非常接近馬達驅動實際應用的條件下，優(yōu)點是不需要任何控制回路。


 
圖6 : 熱示性試驗裝置

功率損耗測量

功率級中各個組件的耗散功率的數據準確性無疑是影響模擬結果的一大因素。MOSFET與分流電阻的數據是使用簡化公式計算而來，故提出了近似值。于電路板上進行測量以評估量化耗散功率時的誤差。使用示波器（Teledyne LeCroy 的HDO6104-MS型）測量，并在波形中使用適當的數學函數：首先，逐點計算每個測量點的電壓和電流的乘積；接著計算在一個整數正弦周期數內的平均功率。在環(huán)境溫度下的測量數據和功率級達到穩(wěn)態(tài)條件時的高溫測量。

結果證明，測量值與預估值非常相近，與提出的近似值一致。于室溫時，公式高估測量值1.5%，在高溫條件下，低估測量值大約3.9%。此結果與MOSFE導通電阻和分流電阻的可變性一致，因為在計算中使用的是標稱值。由于線圈電阻和MOSFET電阻隨溫度升高而增加，高溫功率值皆比室溫功率值高，符合預期。數據亦顯示三個輸出的測量功率存在差異，是因為三相負載不均衡所造成，因每個線圈的L和R值略有不同。然而因觀察到的差值低于測量和預估之間的偏差，故其影響微不足道。

溫度結果

在負載內產生正弦電流和熱像儀采集拍照是同步的。紅外線熱影像儀設為每15秒拍攝一次熱圖像，每次拍照都包括組件Q1、Q4和R23的三個溫度標記。系統(tǒng)保持工作狀態(tài)，直到大約25分鐘后達到穩(wěn)態(tài)條件為止。在測試結束時檢測到箱內環(huán)境溫度約為 28°C。

圖7顯示出從溫度標記導出的電路板升溫瞬時，圖8顯示電路板上的最終溫度。測量結果表明，Q1 MOSFET是整個電路板中最熱的組件，溫度為93.8°C，而Q4 MOSFET和R23電阻分別達到91.7°C和82.6°C。根據前文的Celsius?模擬結果，Q1 MOSFET是94.06°C，Q4 MOSFET是93.99°C，R23是85.58°C，與測量結果非常相近。直接比較圖5與圖7不難發(fā)現，散熱瞬時時間常數亦接近一致。


 
圖7 : U端口半橋組件升溫測量值

 

圖8 : 頂層穩(wěn)態(tài)溫度測量

結論
意法半導體最近發(fā)布了利用Cadence Celsius Thermal Solver溫度仿真器開發(fā)的EVALSTDRIVE101評估板。該電路板可驅動電池供電設備的高功率低電壓三相無刷馬達。這塊板子包含一個精密的50 cm2功率級，無需散熱器或加裝冷卻設備即可提供馬達超過15 Arms的電流。

使用溫度仿真器內部的不同仿真功能，不僅可以預測電路板的溫度分布及功率級組件的熱點，還可以詳細描述電源繞線的電壓降和電流密度，而這十分困難或甚至無法透過實驗測量獲得。

自設計初期至最終定案的整個開發(fā)過程中，模擬結果可讓開發(fā)者快速優(yōu)化電路板布局設計，調整組件位置，改善布局缺陷。紅外線熱影像儀的熱示性測試顯示出穩(wěn)態(tài)溫度以及瞬時溫度曲線的仿真值和測量值之間具有良好的一致性，證明電路板具有出色的效能，溫度仿真器可幫助設計人員降低設計余裕，加速產品上市。

(本文作者P. Lombardi, D. Cucchi, E. Poli于意法半導體，S. Djordjevic, M. Biehl, M. Roshandell于Cadence)