กำลังขับมอเตอร์กระแสตรงด้วย MOSFET และไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไม่?

ฉันกำลังพัฒนา Quadcopter นาโนโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Atmega328 ใช้พลังงานที่ 3.3 โวลต์และมอเตอร์กระแสตรงที่มีแปรงขนาดเล็กมาก ค่าเฉลี่ยกระแสไฟฟ้าที่ใช้โดยมอเตอร์เหล่านี้ประมาณ 800mA @ 3.7V

ในขั้นต้นเพื่อขับพวกเขาฉันใช้ไดรเวอร์มอเตอร์ L293D แต่ส่วนประกอบนี้ไม่มีประสิทธิภาพ กระแสที่วัดได้เมื่อมอเตอร์วิ่งด้วยกำลังสูงสุดประมาณ 500mA ดังนั้นแรงขับจึงต่ำกว่ามาก

ตอนนี้เพื่อแก้ปัญหานี้ฉันจะแทนที่ไดรเวอร์มอเตอร์นั้นด้วย MOSFET ระดับ 4 ตรรกะ หลังจากค้นหามานานฉันก็เจออันนี้ (2SK4033)

คุณรู้หรือไม่ว่าควรใช้งานได้หรือไม่ ฉันต้องใช้ร่วมกับไดโอดหรือไม่? ถ้าคำตอบคือ "ใช่" แล้วอันนี้ (MBR360RLG) ล่ะ?

ฉันเลือกส่วนประกอบเหล่านี้เพราะฉันสามารถซื้อได้จากร้านค้าออนไลน์เดียวกัน

MOSFET ควรทำงานได้ดีมากสำหรับแอปพลิเคชันนี้ นี่คือสิ่งที่ต้องพิจารณา:

1:

เมื่อใช้ FET เพื่อขับเคลื่อนการโหลดคุณสามารถเลือกการกำหนดค่าด้านสูงหรือด้านต่ำ High-side วาง FET ไว้ระหว่างรางไฟฟ้าและโหลดและอีกด้านหนึ่งของโหลดเชื่อมต่อกับกราวด์ ในการกำหนดค่าต่ำด้านหนึ่งนำของโหลดเชื่อมต่อกับรางไฟฟ้าและ FET อยู่ในตำแหน่งระหว่างโหลดและกราวด์:

วิธีที่ง่ายที่สุดในการขับเคลื่อนมอเตอร์ของคุณ (หรือโหลดอื่น ๆ ) คือการใช้ N-Channel MOSFET ในการกำหนดค่าด้านต่ำ N-FET เริ่มทำงานเมื่อแรงดันเกตของประตูสูงกว่าแหล่งกำเนิด เนื่องจากแหล่งสัญญาณเชื่อมต่อกับกราวด์จึงสามารถขับเคลื่อนเกตด้วยตรรกะเปิด - ปิดปกติ มีเกณฑ์ที่แรงดันเกตต้องเกิน ("Vth") ก่อนที่ FET จะดำเนินการ FET บางตัวมี Vth ในหลักสิบโวลต์ คุณต้องการ N-FET "ระดับตรรกะ" ที่มีขีด จำกัด ที่น้อยกว่า Vcc ของคุณมาก

มีข้อเสียสองประการสำหรับการกำหนดค่า FET ที่ด้านล่าง:

• ขดลวดมอเตอร์เชื่อมต่อโดยตรงกับรางไฟ เมื่อ FET ปิดอยู่การม้วนทั้งหมดจะ "ร้อน" คุณกำลังเปลี่ยนพื้นไม่ใช่การเชื่อมต่อพลังงาน

• มอเตอร์จะไม่มีการอ้างอิงภาคพื้นจริง ศักยภาพต่ำสุดจะสูงกว่าพื้นดินโดยแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของ FET

สิ่งเหล่านี้ไม่ควรสำคัญในการออกแบบของคุณ อย่างไรก็ตามพวกเขาอาจมีปัญหาหากคุณไม่คาดหวัง! โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับวงจรกำลังสูง :)

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้คุณสามารถใช้ P-FET ในการกำหนดค่าระดับสูง แม้ว่าวงจรการขับขี่จะซับซ้อนกว่านี้เล็กน้อย โดยทั่วไปแล้วสวิตช์ P-FET จะดึงประตูขึ้นสู่รางไฟฟ้า รางไฟนี้สูงกว่า Vcc ของ uC ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถเชื่อมต่อหมุด I / O ของ uC เข้ากับเกตได้โดยตรง วิธีแก้ปัญหาทั่วไปคือการใช้ N-FET ขนาดเล็กที่อยู่ด้านล่างเพื่อดึงเกทของ P-FET ที่อยู่ด้านสูงลง:

R1 และ R3 มีอยู่เพื่อไม่ให้ FET ปิดจนกว่าจะขับเคลื่อน Q2 คุณจะต้อง R3 แม้ในการกำหนดค่าด้านต่ำ

ในกรณีของคุณฉันคิดว่า N-FET แบบ low-side ที่เรียบง่าย (ด้วย R3) จะให้บริการคุณได้ดีขึ้น

2:

ประกาศ R2 ในแผนภาพสุดท้าย เกท MOSFET ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุซึ่งจะต้องชาร์จประจุก่อนที่กระแสระบายออกจะเริ่มไหล อาจมีกระแสไฟไหลเข้าที่สำคัญเมื่อคุณให้พลังงานครั้งแรกดังนั้นคุณต้อง จำกัด กระแสไฟฟ้านี้เพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดกับไดรเวอร์เอาต์พุตของ uC ฝาครอบจะดูเหมือนสั้น ๆ ในทันทีดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น Atmel ของคุณสามารถส่ง 40mA ได้ 3.3V / 35mA => 94.3 โอห์ม ตัวต้านทาน 100 โอห์มจะทำงานได้ดี

อย่างไรก็ตามตัวต้านทานนี้จะชะลอเวลาเปิดและปิดของ FET ซึ่งจะทำให้ขีด จำกัด บนของความถี่การสลับของคุณ นอกจากนี้ยังเป็นการยืดระยะเวลาที่ FET อยู่ในภูมิภาคเชิงเส้นของการใช้งานซึ่งสิ้นเปลืองพลังงาน หากคุณสลับที่ความถี่สูงอาจเป็นปัญหา ตัวบ่งชี้หนึ่งคือถ้า FET ร้อนเกินไป!

วิธีแก้ไขปัญหานี้คือใช้ไดรเวอร์ FET มันเป็นบัฟเฟอร์ที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถจ่ายกระแสได้มากกว่าและสามารถชาร์จเกตได้เร็วขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องมีตัวต้านทาน จำกัด นอกจากนี้ไดรเวอร์ FET ส่วนใหญ่สามารถใช้รางพลังงานสูงกว่า Vcc ทั่วไป แรงดันไฟฟ้าเกตที่สูงขึ้นนี้จะลดความต้านทานต่อ FET และประหยัดพลังงานเพิ่มเติม ในกรณีของคุณคุณสามารถขับเคลื่อน FET Driver ด้วย 3.7V และควบคุมด้วย 3.3V ของ uC

3:

ในที่สุดคุณจะต้องการใช้ไดโอด Schottky เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากมอเตอร์ ทำเช่นนี้เมื่อใดก็ตามที่คุณเปลี่ยนโหลดอุปนัย:

ขดลวดมอเตอร์เป็นตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ดังนั้นมันจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการไหลของกระแส ลองจินตนาการว่ากระแสนั้นไหลผ่านคดเคี้ยวแล้วคุณจะปิด FET ตัวเหนี่ยวนำจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลออกจากมอเตอร์อย่างต่อเนื่องเมื่อสนามไฟฟ้ายุบตัว แต่ปัจจุบันไม่มีสถานที่ที่จะไป! ดังนั้นมันจึงเจาะผ่าน FET หรือทำอย่างอื่นที่ทำลายล้าง

Schottky วางขนานกับโหลดทำให้เส้นทางปลอดภัยสำหรับกระแสที่จะเดินทาง แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงสุดที่แรงดันไปข้างหน้าของไดโอดซึ่งเป็นเพียง 0.6V ที่ 1A สำหรับคนที่คุณระบุ

ภาพก่อนหน้านี้การตั้งค่าด้านต่ำพร้อมกับ flyback diode นั้นง่ายราคาไม่แพงและมีประสิทธิภาพมาก

ปัญหาเดียวที่ฉันเห็นเมื่อใช้โซลูชัน MOSFET ก็คือมันเป็นทิศทางเดียวโดยเนื้อแท้ L293D ดั้งเดิมของคุณคือไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์หลายตัว ทำให้สามารถขับมอเตอร์ได้ทั้งสองทิศทาง การถ่ายภาพเชื่อมต่อมอเตอร์ระหว่าง 1Y ถึง 2Y L293D สามารถสร้าง 1Y = Vdd และ 2Y = GND และมอเตอร์หมุนไปในทิศทางเดียว หรืออาจทำให้ 1Y = GND และ 2Y = Vdd และมอเตอร์ก็จะหมุนไปทางอื่น ค่อนข้างมีประโยชน์

ขอให้โชคดีและสนุก!

นี่คือสิ่งที่ฉันต้องการดูมอสเฟตใด ๆ มาจากแผ่นข้อมูลของ 2SK4033 โดยวิธี: -

คุณบอกว่า 800mA เป็นกระแสเฉลี่ย แต่นี่สามารถเพิ่มเป็น 1A ภายใต้การโหลดหรือไม่ อย่างไรก็ตามที่ 1A และด้วยแรงดันไดรฟ์เกตที่ 3.3 โวลต์ MOSFET จะลดลงประมาณ 0.15V ทั่วทั้งอาคารเมื่อจ่ายโหลด 1A คุณสามารถอยู่กับการสูญเสียพลังงาน (150mW) และที่สำคัญกว่านี้เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่า 3V คุณสามารถอยู่กับประสิทธิภาพที่หายไปเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของประตูลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

มีเพียงคุณเท่านั้นที่จะตอบคำถามนี้ มีมอสเฟตที่ดีกว่านี้ แต่คุณต้องคำนวณกระแสโหลดจริงสำหรับมอเตอร์ที่คุณคาดว่าจะเห็น

การแก้ไข

นี่คือชิปที่ฉันเจอซึ่งอาจมีประโยชน์แทน MOSFET มันคือDRV8850จาก TI มันประกอบไปด้วยสะพานสองครึ่งและนั่นหมายความว่ามันสามารถขับมอเตอร์สองในสี่ตัวได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้ไดโอดฟลายแบ็ค การต้านทานต่อ FET แต่ละครั้งคือ 0.045 โอห์มและได้รับการจัดอันดับที่ 5A (กำลังงานที่กระจายอยู่ประมาณ 1.1 วัตต์) แต่เนื่องจาก OP ต้องการประมาณ 1A สิ่งนี้จึงกลายเป็นเรื่องเล็กน้อย ช่วงแรงดันไฟฟ้าคือ 2V ถึง 5.5V ดังนั้นจึงเหมาะมาก: -

เนื่องจากมีการใช้มอเตอร์ DC แบบแปรงคุณไม่จำเป็นต้องมี H-Bridge เป็นไดรฟ์ มีเพียงสองกรณีเท่านั้นที่จำเป็นต้องมี H-Bridge จำเป็นต้องสลับมอเตอร์จากภายนอก (เช่นมอเตอร์ PM brushless PM) หรือต้องการหมุนกลับ ดูเหมือนว่าจะไม่มีการใช้สิ่งเหล่านี้ที่นี่ การใช้ทิศทางเดียวหรือไดรฟ์ Quadrant เดียว (SQD) จะลดความซับซ้อนของสิ่งที่คุณพยายามทำอย่างมาก

FET ที่คุณคิดว่าจะใช้ (2SK4033) นั้นไม่เหมาะกับแรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ (Andy ได้ชี้ให้เห็นแล้วว่าทำไม) และเราจะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเลือก FET ในภายหลัง

ขับมอเตอร์กระแสตรงที่แปรงด้วยไดรฟ์ Quadrant เดียว (SQD)

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

เกณฑ์พื้นฐานสำหรับการเลือก FET (ประเภท ABCs ของการเลือก FET):

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  การเพิ่มความร้อนเป็นสิ่งสำคัญมาก มันอธิบายถึงการสูญเสียทั้งหมด ... การสูญเสียการนำความสูญเสียประตูและการสูญเสียการสลับ

การเลือกตัวอย่างตามเกณฑ์ 3 ข้อ:

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

ที่ไหน

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$$\tau$$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$

$I_m$$R_{\text{ds}}$$R_{\text{ds}}$

$P_T$$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$

$I_m$

ปลายหลวม

• ใส่วงจรขับเคลื่อนและสวิตช์ใกล้กับมอเตอร์

• ในขณะที่ไมโครไดรฟ์สามารถขับ FET ได้โดยตรง แต่ไดรเวอร์สำหรับการปกป้องไมโครนั้นเป็นความคิดที่ดี (เช่นNC7WZ16สามารถทำงานได้ที่นี่)

• $C_{\text{iss}}$

• $I_m$