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電動工具

電動工具中高邊驅動方案分析

發布日期:2022-10-09 點擊率:71

Other Parts Discussed in Post: LM5060, BQ76200, UCC27284

作者:Jimmy Zhou


在無繩電動工具應用中,電池包的電壓通常為16V、20V、24V、40V、60V和80V,會使用機械開關控制驅動板供電,但是由于機械開關的特性,會存在開關火花、壽命、體積等缺點。

1:電動工具中機械開關應用

在電動工具中,引入高邊驅動方案,除了避免傳統機械開關的固有缺點,同時具有可控強、導通時間可調整、支持多包并聯、短路保護、體積小等優點。如圖2所示,高邊驅動IC會產生高出電池包12V的電壓,通過控制MOS的Gate電壓,可以控制主回路通斷。

2:電動工具中高邊驅動芯片方案

1.支持多包并聯的LM5050

LM5050是High Side Oring FET Controller,工作電壓支持1V – 75V,最大承受電壓支持100V。LM5050通過檢測VDS上電壓,控制VGS上電壓,實現理想二極管的功能。同時因為LM5050內部已經集成了電荷泵,供電電壓無需高于電池包電壓。在無繩電動工具中,可以通過多包并聯方式,提升整體的電池容量,也可以實現不同電壓等級電池包并聯。如圖3所示,通過電池包輸出串聯MOS的源級,經由LM5050的控制,可以實現多個電池包并聯。

3LM5050 應用多包并聯方案

2.支持高邊驅動的LM5060

LM5060是High Side Protection Controller,工作電壓支持5.5V- 65V,支持過壓保護、欠壓保護和過流保護,可調整的開通時間,通過控制EN引腳電壓,可以開斷輸出。LM5060內部集成了電荷泵,不需要額外供電,可以實現24uA門極充電電流和80mA的門極放電電流。LM5060的功耗較大,工作電流1.4mA,失能電流為9uA。

4LM5060 高邊驅動方案

3.支持High Side Back-to-back MOS驅動的BQ76200

BQ76200是High Side NFET 驅動芯片,工作電壓8V – 75V,最高承受100V電壓,可以分別控制兩個Back-to-Back MOS。相比LM5060,BQ76200的工作電流為40uA,失能狀態下,內部電荷泵模塊也會失能,靜態電流不超過10uA,更適合電池供電系統。同時,充電MOS和放電MOS可以分別獨立控制,靈活性更高。

5:支持充電/放電獨立控制的BQ76200

4. 支持Ideal Diode模式和輸出開斷模式的 LM7480x

LM7480x是Back-to-Back NFET的驅動器,同時支持Ideal Diode模式和輸出開斷控制,輸入電壓支持3V – 65V,有-65V反向電壓承受能力,驅動開通電流20mA,驅動關斷電流2.6A,工作電流413uA,失能下靜態電流2.87uA。LM7480x即有LM5050的Ideal Diode模式,也具備LM5060輸出開斷控制。

6:同時支持Ideal Diode模式和輸出開斷模式的 LM7480x

5.使用半橋驅動芯片實現高邊Back-to-Back NFET驅動

對于之前的驅動IC,電池電壓不超過80V,驅動電流也相對小,開關速度較慢。對于80V以上的Back-to-Back NFET驅動,可以考慮圖6的方案(Application Report SLUAA58)。如圖6所示,通過半橋驅動芯片,例如UCC27284,構建電荷泵,把電荷泵電容電壓提升12V。通過上橋臂的邏輯電平,可以控制功率回路的通斷。同時,一般的半橋驅動IC的工作電流較大,工作電流達mA級別;失能條件下,靜態電流為7uA。從驅動能力上看,整體上取決于電荷泵電容和驅動電阻,在供電電壓12V,驅動電阻8.25?,電荷泵電容470nF等條件下,驅動電流為1.68A,開通關斷時間小于0.5us。

7:使用半橋驅動實現高邊驅動

最后,從母線電壓、功能、驅動能力、靜態電流等角度,給出以上5種方式的對比表格。

15種高邊驅動方式的對比表格

 

LM5050

LM5060

BQ76200

LM7480x

Circuit in SLUAA58

Function

Ideal Diode Controller

High Side Protection Controller

High Side Back-to-Back MOS Driver

Ideal Diode Controller, High Side MOS driver

High Side Back-to-Back MOS Driver

Bus Voltage

75V

65V

75V

65V

>100V

Normal Mode Current

420uA

1.4mA

40uA

413uA

1.1mA

Shut Down Mode Current

-

9uA

10uA

2.8uA

7uA

Gate Charge current

30uA

24uA

10.9mA/3.4mA

20mA

Depends on charge-pump capacitor and gate resistor(Several amperes)

Gate Discharge current

2.8A

80mA

40mA/12mA

2.6A

 

其他信息

  • LM5050應用手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1.pdf

  • LM5060應用手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5060.pdf

  • BQ76200應用手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76200.pdf

  • LM7480x應用手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7480-q1.pdf

  • SLUAA58 Application Report應用文檔:https://www.ti.com/lit/an/sluaa58/sluaa58.pdf

  • UCC27284技術手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27284.pdf

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