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Fairchild 的 Motion SPM® 智能功率模块将各种工业运动和电机控制应用的驱动和保护电路集成到单个封装中。 我们最近引入了用于紧凑型电机控制应用的 SPM 7 模块，功率最高为 50 W。这些应用很少留有散热器的空间，这也就是说通过估算确保合适的结温 (T J ) 来保证系统可靠性至关重要。下面介绍几种计算 SPM® 7 系列结温的方法。 Motion SPM ®  7 系列概述 高性能 SPM 7 模块系列综合了多个器件，包括高性能 FRFET® MOSFET 和半桥栅极驱动器 IC，在单个 PQFN 封装内提供全套功能、高性能逆变模块（图 1）。 Motion SPM 7 系列的关键设计目标当然是在装配空间有限时提供紧凑而可靠的变频设计解决方案。考虑诸如小型落地扇和吊扇电机、空调室内和室外风扇、水泵等系统。 封装外观 和结构 我们将了解四种用来测算结温的方法，并展示测算结果： 直接测量（由红外摄像机检测的T J ） TC_TOP 测算（用红外摄像机测量壳温 TC_TOP） TP 测算（热电偶检测 PCB 温度 TP） VTS 测算（用 VTS 检测的高压 IC THVIC 的结温） A：直接测量（由红外摄像机检测的 TJ） 您可以使用红外摄像机直接测量结温。尽管这样看起来很直接，但需要打开模块封装。这个过程很费力、复杂、成本高，并且会改变最后装配的运行。然而，为了能够“查看壳体内部”和“检查”实际元件，这样的工作和成本是值得的。为了进行下列测量，使用专业设备执行打开封装的流程。 图2显示打开封装的位置和运行期间捕捉到的图像。在封装中包含的 6 个 MOSFET 中，W 相 H/S MOSFET 是最热的点。该热点主要是由引脚框架结构产生的，在引脚框架结构中，存在因相邻 MOSFET 产生的热叠加。 图2 B.TC_TOP 测算（由红外摄像机测量 TC_TOP） 通过大量模拟，我们知道 SPM 7 系列的 Ψ JT 大约为 0.77 ℃/W。事实证明 T J 与 T C_TOP  之间的差异可以忽略，因为只要最大功耗 (Pd) 低于 6 W 且 SPM 7 系列的 ΨJT大约为 Ψ JT ，该差异就小于 5℃。 图 3 和图 4显示 SPM 7 系列顶部的热等效电路和结构。注意尽管不存在散热器，PCB也起着散热的作用。 在这种情况下，T J 可通过下式计算： TJ = PD × ΨJT + TC_TOP’ TJ ≈ TC_TOP 顶部热等效电路 从结到壳体顶部的 SPM 7 封装热阻

随着能源成本上升及消费者对家电节能意识增强，世界各国政府纷纷出台更加严格的能效标准或高能效激励措施以提升白家电能效。如美国能源部建议实施新的能效标准以减少电冰箱、空调和洗衣机的能源使用，某些情况下强制要求能效提升多达35%。日本的能效“领跑者”(Top Runner)项目自实施以来，也大幅提升了空调及电冰箱的能效要求。 家电中通常要使用多种不同的电机来控制不同功能。电机包括交流(AC)电机和直流(DC)电机。其中DC电机包括有刷直流电机和无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机分旋转电机和步进电机，具有显著的节能、低噪声和优异变速性能等特性，广泛应用于电冰箱、空调及洗衣机等家电应用。 设计人员要设计高能效的家电产品，就需要在设计中选择高能效的电源转换及电机驱动/控制方案。安森美半导体积推动高能效创新，提供宽广阵容的产品及方案。本文将分析家电中的电机应用，并介绍安森美半导体应用于典型家电产品的电机驱动及控制方案。 家电应用要求及设计挑战 针对家电中的不同电机应用对电压及电流范围的不同要求，安森美半导体提供宽广阵容的高能效电机驱动/控制方案，支持最高电压达600 V，最大电流达50 A。这些电机驱动器包括4种，分别是12 V BLDC电机驱动器、24 V BLDC电机驱动器、3相 BLDC驱动器控制器(驱动电压达240 V)及600 V或更高电压BLDC电机驱动器。 除了要匹配不同的电压/电流要求，工程师在家电应用设计的另一共同挑战是能耗问题。例如，如果风扇驱动器的电路板内置，就会产生热量及并要求消耗额外的电能来把它冷却。因此，工程师可能会同时要求高能效及具强力冷却功能的电机。 图1：用于家电的电机驱动器/控制器电压/电流范围概览。 此外，用户要求家电产品减小电机产生的恼人噪声，希望有舒适宁请静的使用体验。因此，工程师要选择产生更低噪声的电机。有些家电如电冰箱，由于用户的居住空间有限，他们会青睐体积小巧的电冰箱。这趋势导致工程师采用更小的电机以优化占用空间。由于家电要求采用高压电源来驱动，耐用性、安全性及可靠性很重要。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 用于典型家电应用的电机驱动器方案 1. 电冰箱 据统计，高档电冰箱中使用的电机最多，可能达5个或更多，典型应用包括阻尼器、风扇、制冰机、压缩机、气流调节及冷却流泵等。最基础功能的电冰箱也有压缩电机和冷却流泵。较高端的产品使用风扇及阻尼器，利用电机进行气流调节。制冰机可能使用2个电机，一个用于出冰，另一个用于清空制冰托盘。 图2. 电冰箱中的电机应用 1) 压缩机驱动 所有的电冰箱都有压缩机。最新的压缩机使用工作电压为600 V的BLDC电机设计，要求电机驱动器具有高击穿电压、高能效及高可靠性。针对压缩机电机驱动应用，建议使用安森美半导体用于3相电机控制的智能功率模块(IPM)，如单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A到10 A)，以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A至10A)。 这些IPM使用安森美半导体独特的绝缘金属基板技术(IMST)，在铝板也就是在金属基板上搭建电子电路，使多种元件能够封装在同一个模块IC中，包括电阻和电容等分立无源元件、二极管和晶体管等分立有源元件，以及更复杂的IC或专用集成电路(ASIC)，如门极驱动器、数字信号处理器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输出电路、控制电路及其外围电路贴装在相同基板上。这些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件实现的大电流设计相比，能帮助大幅减少元件数量，减小电路板占用空间，降低系统总成本，减少散热及提升可靠性。 图3：安森美半导体智能功率模块(IPM)采用IMST将多种元器件封装为模块。 2) 自动制冰机驱动 电冰箱自动制冰机使用有刷电机，一项功能是开启和关闭用于填充托盘的供应阀，另一项功能是一旦水结冰就翻转托盘。这两个功能都可以使用H桥电机驱动器来实现。安森美半导体提供用于自动制冰机电机驱动的器件包括LB1948M和LV8548M等。这些器件提供高击穿电压、高能效和变速控制等关键特性。其中，LB1948M是2通道、12 V低饱和电压驱动、正向/反向电机驱动器，采用强固的击穿设计，在待机模式下的电流消耗为零。LV8548M是单低导通阻抗DMOS驱动器，励磁模式包括满步及半步等，提供不同的步幅调节；这器件的导通阻抗仅为1 Ω，帮助提升能效；待机模式下的电流消耗同样为零，提供低能耗工作。 3) 通风电机 对于电冰箱而言，通过风机通风来排热是重要功能，要求电机驱动器具有安静驱动、高能效及变速控制等特性。安森美半导体提供应用于电冰箱通风的创新、高能效的无传感器型电机驱动器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驱动器。这些驱动器能够提供低能耗及低振动的工作，它们不要求霍尔传感器，因而能够减小电机尺寸。软启动功能使它们能够稳定地安静启动。LV8804FV、LV8805SV集成的软开关功能实现极为安静的电机工作。此外，锁保护功能用于在电机异常停转时关闭输出，因而保护驱动器。 图4：安森美半导体用于电冰箱的电机驱动及其它产品阵容。 4) 阻尼器 阻尼器用于起缓冲作用，当作用点运动很慢时，几乎没有阻力，而在作用点运动较快时阻力就明显增大，广泛用于电冰箱和洗衣机等应用。安森美半导体用于电冰箱阻尼器的电机驱动器包括LB1948M和LV8548M等。这些器件提供高击穿电压、高能效、低待机电流及变速控制等关键特性。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 2. 空调 常见的房间空调包括室内机及室外机等不同组成部分。空调室内机通常使用2个电机，其中1个用于风扇，另一个用于百叶窗，以控制房间内的气流；室外机通常使用3个电机，用于压缩机、风扇及阀。更高端型号还有辅助风扇。 1) 直流风扇电机 室内机和室外机都会用到直流风扇，需要驱动3相BLDC风扇电机。风扇电机的驱动电压可达250 V，设计要求采用600 V器件，以确保足够强固，能够处理噪声尖峰问题。其中，室内机使用1.0 A的风扇。较大的分体式空调则使用2.0 A风扇。室外机使用3.0 A的风扇。 图5：空调中的电机应用。 安森美半导体为直流风扇电机提供由LV8136V预驱动器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相风扇电机混合集成电路(HIC)构成的驱动方案。此方案提供高压、大电流(1 A/2 A/3 A)驱动，能效高，工作安静，元器件数量少，集成多种保护特性，提供更高可靠性。省电模式还使待机电流几乎为零。 2) 用于压缩电机和风扇电机的IPM 安森美半导体为空调的压缩电机及风扇电机驱动提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C47xxx系列的3相变频器IPM，以及结合升压功率因数校正(PFC)和3相变频器的STK57F-3xx系列二合一IPM产品，提供多种应用优势。以STK57F-3xx系列IPM产品为例，由于将PFC和3相变频器合二为一，不仅提供高能效电路，还大幅减少元器件数量，节省PCB占用空间，缩短开发时间，降低组装成本，加快上市进程。 图6. 安森美半导体用于空调的二合一变频器智能功率模块(IPM)。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 3. 洗衣机及烘干机 洗衣机要求采用电机来驱动筒、水泵以及各种泵，烘干机需要电机来驱动筒及鼓风机。 图7. 洗衣机/烘干机中的电机应用。 1) 筒驱动 在洗衣机内部，筒驱动器是最大的电机，通常电流在10 A范围。安森美半导体用于3相BLDC电机驱动器的IPM是用于筒驱动的最先进产品系列，符合高能效、安静驱动、极佳散热、强固及可靠工作等要求。这些IPM包括单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)和STK531U3x2x-E (5 A至10 A)以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A到10A)。 2) 供水及排水泵 供水及排水泵要求高能效及变速驱动等关键特性。安森美半导体的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于这类三相BLDC电机驱动应用。这些器件的PWM占空比能够采用IC输入来控制，适合从9.5 V至30 V的宽工作电压范围。 3) 阻尼器 洗衣及烘干机应用中，阻尼器上要有一个电机来控制烘干机的气流。此阻尼器的关键要求跟电冰箱阻尼器相同，推荐使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效电机驱动器IC。以LB1948MC为例，这器件易于设计，待机电流几乎为零。 4) 直流风扇 洗衣及烘干机中的鼓风机跟空调应用类似，建议使用LV8136V。这是一款PWM系统预驱动器IC，用于驱动3相无刷直流电机。由于采用PWM驱动，这IC提供优化的能效及低噪声。 总结： 安森美半导体积极推动高能效创新，提供应用于家电的完整方案，包括电源、电机驱动、用户接口、通信、测量等。本文重点介绍了安森美半导体应用于电冰箱、空调、烘干及洗衣机等家电的电机驱动及控制器以及高集成度的智能功率模块(IPM)方案，帮助设计人员针对具体应用选择适合的产品，设计出高能效、高可靠性及静音工作的家电。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

设计电源的工程师通常根据性能和成本来选择元件。虽然DrMOS比分立式解决方案的性能更好，但是，由于其高昂的初始价格，其部署被限制在高端应用。得益于MOSFET和封装技术的改进以及大量部署，DrMOS的成本降低，从而提高了其在各种应用领域的接受程度。为了满足市场对功率密度和高效率日益高涨的要求，继推出DrMOS产品系列之后，Fairchild又推出了智能功率级系列FDMF58xx。由于实施了新的MOSFET、封装技术和驱动器设计，与以前的功率级解决方案相比，SPS在以下方面得到了改进： 阈值电压和栅极氧化物厚度降低； 改进了Qgs和Qgd比以及驱动器设计，效率更佳。 采用Dual Cool™封装提高了热性能。 高级模块温度汇报 可编程热关断 灾难性故障检测 实现更佳轻负载效率的过零检测 CCM2模式带来更佳DVID性能 上述改进措施降低了区域电阻(RSP)、导通和开关损耗，实现了更佳的抗直通能力。图1显示最佳前代部件与 最佳SPS器件FDMF5820DC的效率比较。SPS的峰值效率提高了近1%，满载效率提高了2%以上。 图 1*: FDMF5820DC和之前最佳部件的效率比较。 （测试条件： 12Vin，1.2Vo，1MHz频率。评估板： FDMF58xx_OLEVB R0R1) SPS与竞争产品的基准数据无法获得，但基于DrMos前代产品与竞争产品的广泛基准测试，Fairchild的FDMF58xx系列产品具有强大的竞争力。 图2显示效率比较。Fairchild前代部件在所有负载范围内效率均比竞争产品更高。峰值效率高出0.6%，满载效率高出0.3%。 图 2*: Fairchild前代部件与竞争产品的效率比较。 整个市场一直追求更高的效率、更小的空间和更低的成本，同时不断提高可靠性，促使传统分立式DC-DC转换器加速迁移至集成式解决方案。作为业界一流的集成式产品，Fairchild的SPS器件受到不同市场客户的青睐。 表1显示SPS产品组合和建议应用。 表 1: SPS产品组合和建议应用。

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，促进了开关电源技术的迅速发展。 现在，数字电视、LED、IT、安防、高铁、智能工厂等新兴领域的智能化应用也将大大推进开关电源市场的发展。 2014年3月18日到20日，万众瞩目的慕尼黑上海电子展将隆重开幕，在电源主题展区，云集了Vicor、SynQor、捷拓、艾默生等国际一线开关电源厂商。 2014年，消费类电子、通信设备、工业应用、军工和安防领域将成开关电源五大主力市场，推动开关电源模块市场快速发展。而2014年的开关电源模块市场也呈现出四大特点。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 一、功率密度没有最高只有更高 随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。 目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度超过(50W/cm3) ，比传统的电源功率密度增大不止一倍，效率可超过90%。如Vicor公司近期宣布推出首个ChiP(Converter housed in Package) 平台功率器件模块。这款新的ChiP总线转换器模块（BCM），可在48 V输出提供功率高达1.2kW，峰值效率98%，功率密度达1,880W/in3 （115 W/cm3）。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 二、低压大电流 随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V，业界预测，电源输出电压还将降到1.0V以下。与此同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。 对于1V/100A的模块电源，有效负载相当于0.01Ω，传统技术难以胜任如此高难度的设计要求。在10mΩ负载的情况下，通往负载路径上的每mΩ电阻都会使效率下降10%，印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、MOSFET的导通电阻及MOSFET的管芯接线等对效率都有影响。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 三、数字控制技术大量采用 使用数字信号控制(DSC)技术对电源的闭环反馈实施控制，并形成与外界的数字化通讯接口，采取数字控制技术的模块电源是模块电源行业未来发展的新趋势，目前产品还很少，多数模块电源企业不掌握数字控制的模块电源技术，国际整流器公司(IR)亚太区销售副总裁潘大伟认为从业界发展来看，在众多应用中，提升能效的要求将在未来一年里推动电源管理IC的需求。 数字电源管理经历了数年的缓慢发展后，现在已经进入了快速发展的阶段。未来10年里，对于能效产品的重点研究将有望推动DC-DC转换器等应用采纳数字电源管理。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 四、 智能功率模块开始走热 智能功率模块（IPM Intelligent Power Module)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。 IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载