【詳解】有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功耗計(jì)算方法-KIA MOS管

討論：是否可以用下面的公式計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的功耗？

（IC電路電流+流過(guò)電機(jī)的電流）×電源電壓

乍一看貌似沒(méi)問(wèn)題，但實(shí)際上是不正確的。“IC電路電流×電源電壓”雖然不錯(cuò)，但“流過(guò)電機(jī)的電流×電源電壓”中卻含有電機(jī)的功耗，因此，正確的做法是應(yīng)先求出電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的輸出功耗，再加上IC電路的功耗。

輸出功耗通過(guò)“損耗電壓×輸出電流”來(lái)計(jì)算。便于理解，給出了線性穩(wěn)壓器IC的功耗計(jì)算公式作為簡(jiǎn)單示例。

線性穩(wěn)壓器IC的功耗＝自身功耗（Vin×Iin）＋輸入輸出電壓差（Vin－Vout）×輸出電流（IO）

在該公式中，Iin是技術(shù)規(guī)格書(shū)中被稱為“Icc”或“Iq”等的電流，是從Vin引腳流到IC內(nèi)部的輸出穩(wěn)壓控制電路并被消耗的電流。下一項(xiàng)“輸入輸出電壓差×輸出電流”是輸出損耗（消耗）功率。

例如，在運(yùn)算放大器IC的輸出電流未達(dá)到毫安級(jí)別的情況下，即使通過(guò)“電源電壓×電源電流”來(lái)計(jì)算，也不會(huì)對(duì)其誤差產(chǎn)生很大的影響，但對(duì)于電源IC或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC這類(lèi)需要供應(yīng)較大輸出電流的IC來(lái)說(shuō)，如果按照“電源電壓×輸出電流”來(lái)計(jì)算，則會(huì)產(chǎn)生很大誤差。

這樣的說(shuō)明雖然貌似有些繞彎，但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的功耗計(jì)算也是相同的思路。

有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功耗計(jì)算方法

下面將以有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC為例來(lái)說(shuō)明功耗計(jì)算公式。有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的典型驅(qū)動(dòng)方法包括恒壓驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)，因此先來(lái)介紹恒壓驅(qū)動(dòng)。

①恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)的功耗計(jì)算

恒壓驅(qū)動(dòng)的情況下，有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的功耗Pc基本上可以通過(guò)以下公式求得：

Pc＝小信號(hào)部電路電流×電源電壓＋流過(guò)電機(jī)的電流×（高邊輸出間的電壓＋低邊輸出間的電壓）

下圖是表示功耗發(fā)生在哪部分以及功耗的產(chǎn)生機(jī)制示意圖。

標(biāo)為“小信號(hào)部”的部分是有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的控制電路，設(shè)這部分的電路電流為Icc、電源電壓為Vcc、流過(guò)電機(jī)的電流為IO。此外，Q1～Q4的MOSFET在輸出段的H橋電路中。

小信號(hào)部電路的功耗可以簡(jiǎn)單地通過(guò)Icc×Vcc來(lái)計(jì)算。

H橋部分是高邊Q1和低邊Q4導(dǎo)通，IO從Vcc經(jīng)由Q1流向電機(jī)，并經(jīng)由Q4流向GND。需要求此時(shí)的H橋的功耗（損耗）。

MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)可以等效地視為電阻器，其阻值為MOSFET的導(dǎo)通電阻Ron。

假設(shè)高邊Q1的導(dǎo)通電阻為RonH、低邊Q4的導(dǎo)通電阻為RonL，則各輸出之間的電壓可用以下公式來(lái)表示。

高邊輸出間的電壓VH＝IO×RonH

低邊輸出間的電壓VL＝IO×RonL

由此，即可通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算功耗Pc。

Pc＝Icc×Vcc＋I(xiàn)o×（VH＋VL）＝Icc×Vcc＋I(xiàn)O2×（RonH＋RonL）

雖然測(cè)量實(shí)際VH和VL的方法很實(shí)用，但是由于MOSFET的Ron已在技術(shù)規(guī)格書(shū)中給出，因此使用最大值來(lái)計(jì)算即可預(yù)估最差的情況。

②PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)的功耗計(jì)算

首先，請(qǐng)看PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)的工作等效電路及其工作電壓和電流波形。工作等效電路的左側(cè)是施加電壓時(shí)各MOSFET的狀態(tài)示例，右側(cè)是電流再生時(shí)各MOSFET的狀態(tài)示例（省略了不影響工作的MOSFET）。

對(duì)于輸出OUT1來(lái)說(shuō)，一個(gè)PWM周期（tpwm）中的工作分為以下四個(gè)部分：

tr：從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的時(shí)間

tdr：維持高電平并供給電流的時(shí)間

tf：從高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時(shí)間

trc：維持低電平并再生電流的時(shí)間

而對(duì)于輸出OUT2來(lái)說(shuō)，則始終處于低電平工作狀態(tài)。

為便于思考，假設(shè)在這些工作中當(dāng)輸出從高電平轉(zhuǎn)換為低電平或從低電平轉(zhuǎn)換為高電平時(shí)的電壓變化是直線，而在此期間電流恒定不變。此外，設(shè)施加電壓時(shí)和電流再生時(shí)的電流變化也是直線（參見(jiàn)上圖中的波形）。

電壓變化部分的能耗是電壓部分的時(shí)間函數(shù)與電流部分的時(shí)間函數(shù)的積在時(shí)間區(qū)間內(nèi)的積分。電流變化部分的功耗是電流部分的時(shí)間函數(shù)的平方與總電阻的積在時(shí)間區(qū)間內(nèi)的積分。

也就是說(shuō)，在一個(gè)PWM工作周期內(nèi)，電流回路中驅(qū)動(dòng)時(shí)段與再生時(shí)段的變化所產(chǎn)生的功耗，就是在這個(gè)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)時(shí)段與再生時(shí)段各自的時(shí)間占比內(nèi)功耗的和。

有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PWM驅(qū)動(dòng)施加的是脈沖而不是像有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器恒壓驅(qū)動(dòng)那樣施加恒定電壓，因此有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PWM驅(qū)動(dòng)的計(jì)算公式有些復(fù)雜，希望能以此為例來(lái)理解其思路。

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