電機(jī)規(guī)格與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC絕對(duì)最大額定值之間的關(guān)系
在使用電機(jī)時(shí)，基本上需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)電機(jī)的種類(lèi)、電機(jī)的功率等規(guī)格、應(yīng)用產(chǎn)品等的不同，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也分很多種，包括分立組成、以及驅(qū)動(dòng)器IC和微控制器相組合等不同的方式。在“電機(jī)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)篇”里，我們根據(jù)具有代表性的電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，大致講解了使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的驅(qū)動(dòng)方法。
本文將講解“絕對(duì)最大額定值”，這是在選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)必須要仔細(xì)確認(rèn)的項(xiàng)目。本文還通過(guò)兩個(gè)表格匯總列出了兩個(gè)主題，一個(gè)是從電機(jī)的角度來(lái)看電機(jī)規(guī)格與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC絕對(duì)最大額定值之間的關(guān)系，另一個(gè)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的各個(gè)絕對(duì)最大額定值的含義及其注意要點(diǎn)。
什么是絕對(duì)最大額定值？
首先來(lái)了解一下“絕對(duì)最大額定值”到底是什么。如果對(duì)該項(xiàng)目理解不充分，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，所以無(wú)論是設(shè)計(jì)者還是使用者，都需要準(zhǔn)確地理解并嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貞?yīng)用。在本文中是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例進(jìn)行講解的，但其實(shí)絕對(duì)最大額定值的定義不僅局限于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，也同樣適用于其他半導(dǎo)體元器件。
關(guān)于半導(dǎo)體元器件的絕對(duì)最大額定值的術(shù)語(yǔ)定義，原則上遵循“JIS C 7032 晶體管通則”。其定義是“即使一瞬間也不可超過(guò)的極限值，是不允許任何兩個(gè)項(xiàng)目同時(shí)達(dá)到的極限值”?？梢越忉尀椤盁o(wú)論時(shí)間有多短，絕對(duì)不能超過(guò)絕對(duì)最大額定值中的任何項(xiàng)目的值”。
關(guān)于實(shí)際的思路和應(yīng)用，請(qǐng)參閱的Tech Web Motor TECH INFO的專(zhuān)欄,其中有詳細(xì)介紹。
電機(jī)規(guī)格與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC絕對(duì)最大額定值之間的關(guān)系
在電機(jī)應(yīng)用中，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC選型時(shí)，基本上要根據(jù)電機(jī)規(guī)格和使用條件來(lái)選擇滿足要求的驅(qū)動(dòng)器IC。例如，如果電機(jī)的使用電壓為24V±10%，則驅(qū)動(dòng)器IC的電源電壓額定值需要覆蓋該上限值。下表中總結(jié)了電機(jī)規(guī)格與驅(qū)動(dòng)器IC絕對(duì)最大額定值之間的主要關(guān)系。當(dāng)然，根據(jù)某些條件還有其他需要注意的細(xì)節(jié)，需要單獨(dú)探討。
※電機(jī)示例：24V復(fù)印機(jī)用無(wú)刷電機(jī)
| 項(xiàng)目 | 電機(jī)規(guī)格示例 | 與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC絕對(duì)最大額定值之間的關(guān)系 |
|---|---|---|
| 額定（電源）電壓 | DC24V |
電壓上限必須在不超過(guò)絕對(duì)最大額定值和容許損耗的范圍內(nèi)。 也要確認(rèn)關(guān)斷時(shí)線圈的L分量引起的反電動(dòng)勢(shì)。 實(shí)際上的電源電壓在待機(jī)（無(wú)負(fù)載）、啟動(dòng)（有負(fù)載時(shí)）時(shí)會(huì)發(fā)生變化，因此以所使用電壓上限的120%左右為IC的絕對(duì)最大額定值。例：24V＋10%＝26.4V→32V，則32V以上為絕對(duì)最大額定值的參考標(biāo)準(zhǔn)。 |
| 使用電壓 | DC24V±10% | |
|
額定負(fù)載／ 負(fù)載電流 |
60mN／1.2A以下 |
輸出電流額定值需要在負(fù)載電流值以上。 考慮到以額定電流連續(xù)通電時(shí)的電機(jī)溫度實(shí)際上升情況，IC的Tj按照125℃以下設(shè)計(jì)比較好。驅(qū)動(dòng)器IC的絕對(duì)最大額定值大多是在Tj=150℃條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 |
| 啟動(dòng)電流 | 3A以下 |
電流值不可超過(guò)LSI的絕對(duì)最大額定值。 以“啟動(dòng)電流＝絕對(duì)最大電流×0.8”作為參考標(biāo)準(zhǔn)。例：如果啟動(dòng)電流是3A，則最大額定值為3.75A以上。 |
| 電機(jī)繞組絕緣等級(jí) | E級(jí)（120℃） | ?不適用于驅(qū)動(dòng)器IC。 |
| 壽命 | 連續(xù)3000小時(shí)以上 | IC的壽命比電機(jī)壽命（主要是軸承的壽命）長(zhǎng)很多，所以無(wú)需考慮。 |
| 工作溫度范圍 | －5℃～＋60℃ | 必須考慮到公差，且滿足規(guī)格。例：－20℃～＋80℃、－40℃～＋85℃ |
| 保存溫度范圍 | -30℃～+80℃ | 必須考慮到公差，且滿足規(guī)格。例：－55℃~+150℃ |
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的絕對(duì)最大額定值及其注意要點(diǎn)
下表中總結(jié)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的絕對(duì)最大額定值及其注意要點(diǎn)。常見(jiàn)的注意要點(diǎn)有：如果超過(guò)絕對(duì)最大額定值，可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器IC的特性惡化，壽命可能會(huì)縮短，甚至?xí)p壞IC。此外，即使電壓、電流、溫度和濕度等在絕對(duì)最大額定值以內(nèi)，使用環(huán)境條件越嚴(yán)苛，驅(qū)動(dòng)器IC的可靠性越低。因此，要想實(shí)現(xiàn)可靠性高的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮相對(duì)于額定值的降額。
| 項(xiàng)目 | 內(nèi)容 | 注意事項(xiàng) |
|---|---|---|
| 電源電壓 |
電源引腳和接地（GND）引腳間可施加的不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部元件特性劣化或損壞的最大電源電壓。 如果有多個(gè)電源引腳，則對(duì)每個(gè)電源引腳進(jìn)行規(guī)定。 |
是不會(huì)引起特性劣化和損壞的可施加電源電壓，不是正常工作的電源電壓。 為了確保IC的保證值并使IC正常工作，需要在工作電源電壓范圍內(nèi)使用。 |
| 輸出電流 |
在不引起內(nèi)部元件特性和鍵合線劣化或損壞的前提下，可流經(jīng)電源段的輸出引腳、電源段的電源引腳和GND引腳的最大電流。 沒(méi)有特別規(guī)定時(shí)，可連續(xù)流過(guò)。 |
即使一瞬間也不可超過(guò)。 也有某些規(guī)格規(guī)定了瞬時(shí)條件并且值較大。 不可超過(guò)封裝的容許損耗，并確保該值不超過(guò)ASO*。 |
| 輸入電壓范圍 | 用來(lái)控制輸出引腳狀態(tài)的各輸入引腳和輸入電路的GND引腳間可施加的不引起內(nèi)部元件特性劣化或損壞的電壓范圍。 |
如果提供的最大值為“－0.3～Vcc”，則額定值取決于實(shí)際的Vcc電壓。 當(dāng)輸入引腳和電源引腳間有靜電擊穿保護(hù)二極管時(shí)，要確保輸入引腳電壓不要超過(guò)電源引腳電壓＋二極管VF以致處于導(dǎo)通狀態(tài)。 |
| 工作溫度范圍 | 正常工作的環(huán)境（或結(jié)點(diǎn)）溫度范圍。 | 要確認(rèn)溫度為環(huán)境溫度（Ta）還是結(jié)溫（Tj）。 |
| 保存溫度范圍 | 不會(huì)引起內(nèi)部元件特性劣化和封裝材料劣化、可以保存IC單體的溫度范圍。 | 如果未提供結(jié)溫的絕對(duì)最大額定值，則該項(xiàng)的最高溫度為結(jié)溫的絕對(duì)最大額定值。 |
| 容許損耗 |
環(huán)境溫度Ta為25℃時(shí)，IC可消耗的功率。 IC消耗功率時(shí)會(huì)發(fā)熱，結(jié)點(diǎn)（芯片）溫度Tj會(huì)高于環(huán)境溫度。 可以消耗的功率取決于Tjmax的限值。 |
當(dāng)安裝在特定電路板上時(shí)，或者是IC單體的值時(shí)，受實(shí)際使用的電路板面積和厚度、布線層的層數(shù)、面積、厚度、通孔的配置位置等因素影響，容許損耗會(huì)有很大差異。 通常使用內(nèi)部發(fā)熱量與外部散熱量均衡情況下的θj-a來(lái)求容許損耗，因此在短時(shí)間的功耗中，Tj的升幅很小，所以熱阻看起來(lái)很小，功率損耗會(huì)增加。 短時(shí)間的容許損耗需要逐一使用瞬態(tài)熱阻數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行判斷。 |
| 結(jié)溫 | IC芯片（結(jié)點(diǎn)）的最大容許溫度（Tjmax）。 | 是IC的功耗帶來(lái)的發(fā)熱量加上Ta計(jì)算得出的溫度，需要確認(rèn)消耗的功率和并進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。 |
* ASO：Area of Safety Operation：安全工作區(qū)。有時(shí)也稱(chēng)為“SOA（Safety Operation Area）”。雖然不是絕對(duì)最大額定值項(xiàng)目，但是取決于相關(guān)的額定值。
| 右圖所示曲線的內(nèi)側(cè)（數(shù)值較低的一側(cè)）為ASO，如果是驅(qū)動(dòng)器IC，則表示輸出段晶體管的安全工作區(qū)。在額定電流限制區(qū)域④和額定電壓限制區(qū)域①的內(nèi)側(cè)，還會(huì)受到容許損耗限制區(qū)域③、以及由于雙極元件的二次擊穿即使電壓和電流在額定范圍內(nèi)也會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的區(qū)域②的限制。此外，在MOSFET中也可能有由于發(fā)熱點(diǎn)集中而類(lèi)似于雙極元件二次擊穿的區(qū)域②。 |
尤其是以電感負(fù)載使用時(shí)，電壓和電流之間會(huì)產(chǎn)生相位差，因此可能會(huì)被施加瞬態(tài)電壓和電流，此時(shí)需要確認(rèn)是否在ASO范圍內(nèi)。通過(guò)觀察瞬態(tài)現(xiàn)象的波形，測(cè)量電壓和電流同時(shí)被施加多長(zhǎng)時(shí)間，并與各驅(qū)動(dòng)器IC輸出段晶體管的ASO數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)確認(rèn)。
關(guān)鍵要點(diǎn)
半導(dǎo)體元器件的絕對(duì)最大額定值的術(shù)語(yǔ)定義，遵循“JIS C 7032 晶體管通則”中的術(shù)語(yǔ)定義。
絕對(duì)最大額定值的定義是“即使一瞬間也不可超過(guò)的極限值，是不允許任何兩個(gè)項(xiàng)目同時(shí)達(dá)到的極限值”。
進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC選型時(shí)，基本上要根據(jù)電機(jī)規(guī)格和電機(jī)使用條件來(lái)選擇滿足要求的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC。
如果超過(guò)絕對(duì)最大額定值，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的特性惡化、壽命縮短、甚至?xí)p壞IC。
即使在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)，使用環(huán)境條件越嚴(yán)苛，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的可靠性越低。
審核編輯黃宇
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