モータードライバー外注PCBの設計生成基準を理解する

DC モーター駆動回路の PCB 設計の目的

DC モーター駆動回路の設計では、主に次の点を考慮します。

1.機能：モーターは一方向または二方向に回転しますか？ 速度調整が必要ですか？ 単方向モーター駆動の場合は、ハイパワー三極管または FET またはリレーを使用してモーターを直接駆動します。 モーターを両方向に回転させる必要がある場合は、4 つの電源 PCB コンポーネントで構成される H ブリッジ回路を使用するか、2 極双投リレーを使用します。 速度調整が必要ない場合は、リレーを使用してください。 ただし、速度調整が必要な場合は、トライオードや FET などのスイッチング素子を使用して、PWM (パルス幅変調) 速度調整を実現できます。

2. 性能: PWM 速度調整を備えたモーター駆動回路の場合、主に次の性能指標が利用可能です。

1) 回路がモーターを駆動できる電力量を決定する出力電流および電圧範囲。

2) 効率、高効率とは、電力を節約するだけでなく、駆動回路の発熱を減らすことも意味します。 回路の効率を改善するには、まずパワー デバイスのスイッチング状態を確保し、共通状態の導通を防止することから始めます (H ブリッジまたはプッシュプル回路で発生する可能性がある問題は、2 つのパワー デバイスが同時に導通してショートすることです)。 電源を回します）。

3) 制御入力への影響。 電源回路は、高電圧と大電流が主制御回路に入るのを防ぐために、その入力端子に対して良好な信号絶縁を備えている必要があります。これは、高入力インピーダンスまたはフォトカプラで絶縁できます。

4) 電源への影響。 共通状態の伝導は、電源電圧の瞬間的な低下を引き起こし、高周波電力汚染を引き起こす可能性があります。 大電流により、アース線の電位が浮く可能性があります。

5) 信頼性。 モータ駆動回路は、どのような制御信号や受動負荷が追加されても、可能な限り安全でなければなりません。

1. 入力とレベル変換:

入力信号線は DATA で引き込まれ、ピン 1 はグランド線、残りは信号線です。 ピン 1 は 2K オームの抵抗でグランドに接続されていることに注意してください。 ドライブ ボードとマイクロコントローラに別々に電源が供給されている場合、この抵抗器は信号電流の戻り経路を提供できます。 ドライバ ボードがマイクロコントローラと一連の電源を共有している場合、この抵抗により、ラインに沿ってマイクロコントローラ マザーボードのアース線に大電流が流れて干渉が発生するのを防ぐことができます。 つまり、ドライブボードのアース線とマイコンのアース線を切り離して「一点接地」を実現することに相当します。

高速オペアンプ KF347 (TL084 も使用可能) は、入力されたロジック信号を表示灯とダイオードからの基準電圧 2.7V と比較し、電源に近い方形波信号に変換するコンパレータです。 供給電圧振幅。 KF347 の入力電圧範囲は、負の電源電圧に近づけることができません。そうしないと、エラーが発生します。 したがって、オペアンプの入力端にダイオードを追加して、電圧範囲がオーバーフローしないようにします。 入力の 2 つの抵抗の 1 つは電流を制限するために使用され、もう 1 つは入力が中断されたときに入力をロー レベルにプルするために使用されます。

オープン回路出力の高レベル状態の出力インピーダンスが 1 キロオームを超え、電圧降下が大きく、後段 三極管は切れません。

2.グリッド駆動部：

リア三極管、抵抗、電圧安定化管で構成される回路は、さらに信号を増幅し、FETのゲートを駆動し、FET自体のゲートコンデンサ（約1000pF）を遅延に使用して同時導通（「同相導通」）を防ぎます。 ") H ブリッジの上下アームの FET が電源ショートしないようにします。

オペアンプの出力端子がローレベル（完全にゼロにならない約1V～2V）のとき、次の三極管がオフになり、FETがオンになります。 上三極管はオン、FET はオフ、出力はハイです。 オペアンプの出力端子がハイレベル(VCC-(1V～2V)程度で、VCCに到達しきれない程度)になると、次の三極管がオンになり、FETがオフになります。 上三極管はオフ、FET はオン、出力はローレベルです。

上記の分析は静的なものであり、スイッチングの動的プロセスについては以下で説明します。三極管のオン抵抗は 2 キロオームよりはるかに小さいため、三極管がオフからオンに切り替わると、FET のグリッド コンデンサの電荷が FET をすばやくオフにすることができます。 ただし、トライオードがオンからオフに切り替わると、MOSFET グリッドが 2 キロオームの抵抗を介して充電されるまでに時間がかかります。 したがって、ＦＥＴのオンからオフへの変換速度は、オフからオンへの変換速度よりも速い。 2つの三極管のスイッチング動作が同時に発生すると、この回路はFETの上下アームをオフにしてからオンにすることができ、コモン状態の導通現象を排除します。

実際、オペアンプの出力電圧が変化するまでには一定の時間がかかります。 この間、オペアンプの出力電圧は正電源電圧と負電源電圧の中間になります。 このとき、2 つの三極管は同時にオンになり、FET は同時にオフになります。 したがって、実際の回路はこの理想的な状況よりも安全です。

FET グリッドの 12V ツェナー ダイオードは、FET グリッドの過電圧破壊を防ぐために使用されます。 一般的な FET グリッドの耐圧は 18V または 20V で、24V の電圧を直接加えると破壊されます。 そのため、電圧安定化ダイオードは一般的なダイオードに置き換えることはできませんが、12Vの電圧分割も得られる2kΩの抵抗に置き換えることができます。

3.FET出力部：

高出力 FET 内部のソースとドレインの間に逆並列にダイオードがあります。 Hブリッジ接続時は、出力端子にスパイク電圧除去用のダイオードが4個並列に付いているのと等価なので、外付けダイオードはありません。 出力端子に小さなコンデンサ(out1-out2間)を並列に接続すると、モータの発生するピーク電圧を下げる効果がありますが、PWM使用時にピーク電流が発生するという副作用がありますので、容量を大きくしすぎないように注意してください。 大きい。 小電力モーターを使用する場合、この容量は省略できます。 このコンデンサを追加する場合は、高耐圧コンデンサを使用する必要があります。 通常のセラミックチップコンデンサには、破壊や短絡故障が発生する場合があります。

出力端子に抵抗、LED、コンデンサを並列に接続した回路がモーターの回転方向を示します。

4. パフォーマンス インデックス:

電源電圧は15~30V、最大連続出力電流は5A/各モーターで、短時間(10秒)で10Aに達し、最大PWM周波数は30KHz(一般的に1~10KHz)です。 回路基板には、論理的に独立した 4 つの電力増幅ユニットが含まれており、その出力端子はペアで接続されて H ブリッジを形成し、シングル チップ マイクロコンピュータによって直接制御されます。 モーターの双方向回転と速度調整を実現します。

5. PCB 設計の代理塗装を外部委託するための PCB レイアウトと配線:

大電流回路はできるだけ短く太くし、ビアをできるだけ通過させないようにします。 ビアを通過する必要がある場合は、ビアを大きくし (>1mm)、ボンディング パッド上に小さなビアの円を作り、溶接中にはんだで埋めます。そうしないと、焼け落ちる可能性があります。 また、定電圧管を使用する場合は、FET のソース極から電源、グランドまでの導体をできるだけ短く太くしてください。 正バイアス電圧安定管と導電三極管により、導体が焼損する場合があります。 設計当初はNMOSトランジスタのソース極とグランド間に0.15オームの抵抗を接続して電流を検出していたが、これがボードの常時燃焼の元凶となった。 もちろん、レギュレーター管を抵抗器に置き換えればこの問題はありません。

モーター駆動回路の PCB は、電力消費の問題を解決するために特別な冷却技術を採用する必要があります。 プリント回路基板 (PCB) 基板 (FR-4 エポキシ ガラスなど) は、熱伝導率が低くなります。 それどころか、銅は優れた熱伝導率を持っています。 したがって、熱管理の観点からは、PCB の銅面積を増やすことが理想的なソリューションです。 厚い銅箔 (たとえば、2 オンス (厚さ 68 ミクロン)) は、薄い銅箔よりも熱伝導率が優れています。 ただし、厚い銅箔を使用するとコストがかかり、微細な形状を実現するのが困難になります。 その結果、1 オンス (34 ミクロン) の銅箔を使用するのが一般的です。 外側の層は通常、½ オンスから 1 オンスの銅箔を使用します。 多層回路基板の内層に使用される固体銅表面は、優れた放熱性を備えています。 ただし、これらの銅面は通常、回路基板スタックの中央に配置されるため、回路基板の内部に熱が蓄積されます。 PCB の外層の銅面積を増やし、多くのスルー ホールを介して内層に接続または「継ぎ合わせる」ことで、内層の外側に熱を伝達するのに役立ちます。

配線とコンポーネントの存在により、2 層 PCB の熱放散はより困難になる場合があります。 したがって、できるだけ多くのベタ銅面を提供し、モータ ドライバ IC との良好な熱接続を実現する必要があります。 両方の外層に銅被覆領域が追加され、多くのスルー ホールで接続され、配線とコンポーネントによって分離された領域間の熱放散を助けます。

を。 配線幅：広いほど良い

モータドライバ IC は入出力電流が大きいため（場合によっては 10A 以上）、入出力機器の基板配線幅に注意が必要です。 配線幅が広いほど、抵抗は低くなります。 配線抵抗が電力を消費しすぎて配線が加熱されないように、配線のサイズを調整する必要があります。 細すぎる配線は実際に電気ヒューズとして使用でき、簡単に切れてしまいます。

設計者は通常、IPC-2221 を使用して適切な配線幅を決定します。 この仕様は、さまざまな電流レベルと許容温度上昇に対する銅の断面積を示す対応するチャートを提供します。これは、特定の銅層の厚さの条件下でワイヤ幅に変換できます。 たとえば、オンスの銅層で 10A の電流を運ぶワイヤは、10 ℃ の温度上昇を達成するために 7mm よりわずかに幅が広い必要があります。 電流1Aの場合、配線幅は0.3mmで済みます。 このことから考えると、マイクロIC基板に10Aの電流を流すことは不可能に思えます。