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Motor

Verlustleistung des Motortreibers

Berechnen Sie die Verlustleistung des Motortreiber-ICs oder des diskreten MOSFETs einschließlich Leitungsverlust und Schaltverlust bei einer bestimmten PWM-Frequenz.

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Formel

Pbridge=2⋅I2⋅RDS+V⋅I⋅tsw⋅f,PFET=max(I2⋅RDS,I2⋅RDS⋅D+V⋅I⋅tsw⋅f),Pgate=2⋅Qg⋅V⋅fP_bridge = 2·I²·R_DS + V·I·t_sw·f, P_FET = max(I²·R_DS, I²·R_DS·D + V·I·t_sw·f), P_gate = 2·Qg·V·f

Referenz: TI SLVA504A, Calculating Power Dissipation for a H-Bridge or Half Bridge Driver (A. Gopalan, 2012, revised 2021), Table 1-1 and eqs. 1-2; International Rectifier AN-1070 (J. Cerezo), P_GATE

R_DS— Durchlasswiderstand (Ω)
Qg— Gateladung (nC)
t_sw— Übergangszeit des hart geschalteten FET (ns)
D— PWM-Tastgrad
P_bridge— Verlust in den vier FETs der Brücke (W)
P_gate— Gate-Treiber-Verlust, im Treiber umgesetzt (W)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner bestimmt die Verlustleistung und die Sperrschichttemperaturin Motortreiber-ICs anhand der Parameter Einschaltwiderstand, Schaltfrequenz und Wärmewiderstand. PCB-Designer, Ingenieure für eingebettete Systeme und Wärmeanalytiker verwenden ihn, um zu überprüfen, ob die Treiber-ICs die sichere Betriebstemperatur einhalten. Eine Überschreitung der maximalen Sperrschichttemperaturlöst eine thermische Abschaltung aus (typischerweise bei 150-175 °C) und führt zu zeitweiligen Motorausfällen.

Laut TI SLVA504A besteht die Verlustleistung des Treibers aus Leitungs- und Schaltverlusten: P_total = P_cond + P_sw. In einer H-Brücke mit synchroner Freilaufphase führen zu jedem Zeitpunkt zwei FETs den Motorstrom (ein High-Side- und ein Low-Side-FET), der Leitungsverlust der Brücke ist also P_cond = 2 × I² × R_DS(on) bei jedem Tastgrad D; wird R_DS(on) wie bei vielen Treiber-ICs als Summe aus High-Side und Low-Side angegeben, ist das I² × R_DS(on). Ein FET wird pro Periode hart geschaltet: P_sw ≈ 0.5 × V × I × (t_rise + t_fall) × f_sw. Die Gateladung kostet zusätzlich 2 × Q_g × V × f_sw im Gate-Treiber (IR AN-1070). Bei typischen 3-A-Motortreibern bei 20 kHz dominieren die Leitungsverluste (2-5 W gegenüber 0,1-0,3 W Schaltverlust).

SperrschichttemperaturBerechnung gemäß JEDEC JESD51: T_j = T_ambient + P_total × R_θJA. Herstellerspezifiziert R_θJA Geht von einem minimalen Leiterplattenkupfer aus (1 in² gemäß JEDEC-Standard). Durch ein optimiertes thermisches Design — 4-lagige Leiterplatte, thermische Durchkontaktierungen, großer Kupferdurchlass — reduziert sich der effektive R_θJA um 30 bis 50% Der DRV8876 (R_DS(on) = 565 mΩ, R_θJA = 35°C/W) von Texas Instruments leitet bei 3 A Dauerbetrieb 5,1 W ab und erreicht in freier Luft 178 °C an den Grenzübergang — mehr als 150 °C. Das richtige thermische Design der Leiterplatte reduziert R_θJA auf 20-25 °C/W und sorgt so für einen sicheren Betrieb bei 127—152 °C.

Rechenbeispiel

Überprüfen Sie das thermische Verhalten eines DRV8833 mit zwei H-Brücken, der zwei 12-V/1,5-A-Motoren antreibt. IC-Daten: R_DS(on) = 320 mΩ (High-Side + Low-Side, je H-Brücke), R_θJA = 42°C/W (TSSOP-16), T_j max = 150 °C. Die PWM-Frequenz beträgt 25 kHz, der Tastgrad 75%.

Schritt 1 — Leitungsverluste pro Kanal berechnen: P_cond = I² × R_DS(on) = 1.5² × 0.320 = 0,72 W pro Kanal (zwei FETs führen den Strom bei jedem Tastgrad, D geht also nicht ein) Summe für die doppelte H-Brücke: 0,72 × 2 = 1,44 W

Schritt 2 — Schaltverluste abschätzen: Unter der Annahme t_sw = 50 ns Anstieg + 50 ns Abfall, ein hart geschalteter FET pro Kanal: P_sw = 0.5 × 12 × 1.5 × (100e-9) × 25000 × 2 Kanäle = 0,045 W (vernachlässigbar)

Schritt 3 — Gesamtverlustleistung berechnen: P_total = 1.44 + 0.045 + 0.02 (Ruhestrom) = 1,51 W

Schritt 4 — Sperrschichttemperatur bei 40 °C Umgebungstemperatur ermitteln: T_j = T_amb + P × R_θJA = 40 + 1.51 × 42 = 103,4 °C Abstand zum Grenzwert: 150 - 103,4 = 46,6 °C — akzeptabel

Schritt 5 — Maximal zulässigen Strom berechnen: P_max für 150 °C bei 40 °C Umgebungstemperatur: (150-40)/42 = 2,62 W I_max = √(P_max / (R_DS(on) × 2)) = √(2.62/(0.32×2)) = 2,02 A pro Kanal

Ergebnis: Bei 1,5 A pro Motor erreicht die Sperrschicht bei jedem Tastgrad 103 °C — innerhalb der Grenzwerte. Der Treiber verträgt bis zu 2,0 A pro Kanal, bevor er bei 40 °C Umgebungstemperatur thermisch abschaltet. Mit thermischen Durchkontaktierungen (R_θJA sinkt auf 30 °C/W) sind 2,4 A möglich. Im Rechner ergibt ein Kanal mit R_DS(on) = 0,160 Ω pro FET und 50 ns Übergangszeit 0,7425 W: 0,72 W Leitungs- und 0,0225 W Schaltverlust.

Praktische Tipps

  • ✓Gemäß den Layoutrichtlinien von Texas Instruments müssen die Wärmeleitpads auf den QFN/DFN-Gehäusen freigelegt und mit mindestens 9 thermischen Durchkontaktierungen (0,3 mm Durchmesser) an die innere Grundplatte angeschlossen werden — reduziert R_θJA um 30-40%
  • ✓Messen Sie die IC-Oberflächentemperatur während der ersten Prüfung mit einem IR-Thermometer: Eine Oberfläche von >85 °C bedeutet, dass sich die Verbindungsstelle in der Nähe der Grenzwerte befindet; eine Oberfläche von >100 °C erfordert eine sofortige Neukonstruktion der Leiterplatte gemäß den Zuverlässigkeitsrichtlinien
  • ✓Für Ströme > 5 A sollten Sie diskrete MOSFETs (R_DS(on) < 10 mΩ (verfügbar in TO-220) anstelle von integrierten Treibern (50-500 mΩ typisch) in Betracht ziehen — externe FETs leiten bei gleichem Strom 10-50-mal weniger Leistung ab

Häufige Fehler

  • ✗Nur R_θJA aus dem Datenblatt ohne Berücksichtigung der Leiterplatte: Gemäß JEDEC JESD51 wird R_θJA auf minimalem Kupfergehalt gemessen; eine 4-lagige Leiterplatte mit thermischen Durchkontaktierungen und Grundplatte reduziert den effektiven R_θJA um 30-50%, wodurch ein 1,5-mal höherer Strom ermöglicht wird
  • ✗Leitungsverlust mit dem Tastgrad skalieren: Bei synchroner Freilaufphase fließt der Motorstrom auch in der Ausschaltzeit durch zwei FETs, der Leitungsverlust einer H-Brücke beträgt also bei jedem Tastgrad 2 × I² × R_DS(on) (TI SLVA504A) — ein Treiber, der bei 90% Tastgrad heiß ist, ist bei 50% genauso heiß, wenn der Motorstrom gleich bleibt
  • ✗Berechnung der Spitzenleistung statt des Durchschnitts: Gemäß der thermischen Dynamik reagiert die Sperrschichttemperatur auf die durchschnittliche Leistung (die thermische Zeitkonstante beträgt 10-100 ms); verwenden Sie den RMS-Strom für eine genaue thermische Analyse in PWM-Anwendungen

Häufig gestellte Fragen

Gemäß JEDEC JESD51: R_θJA (Verbindungsstelle zu Umgebung) ist der komplette Wärmepfad von der Düse zur Umgebungsluft — wird für natürliche Konvektionsberechnungen verwendet. R_θJC (Verbindung zu Gehäuse) deckt nur die Düse zur Gehäuseoberfläche ab — wird bei externen Kühlkörpern verwendet, bei denen T_case gesteuert wird. Bei Gehäusen mit freiliegendem Polster beträgt R_θJC typischerweise 2—10 °C/W, während R_θJA 30-80 °C/W beträgt. Bei einem guten Kühlkörper erreicht eine effektive Verbindung zwischen der Verbindungsstelle und der Umgebung R_θJC + R_θheatsink, in der Regel 5-15 °C/W.
Vier Strategien pro Motortreiber — Anwendungshinweise: (1) Wählen Sie einen niedrigeren R_DS(on) -Treiber oder separate MOSFETs — Reduzieren Sie R_DS(on) von 500 mΩ auf 50 mΩ reduziert den Leitungsverlust um das 10-fache; (2) Verwenden Sie eine niedrigere PWM-Frequenz (5-10 kHz), um die Schaltverluste um 50-75% zu reduzieren; (3) Reduzieren Sie den Motorstrom über das Getriebe — ein 10:1-Getriebe ermöglicht den Motorstrom von 1/10 bei gleichem Ausgangsdrehmoment; (4) Optimieren Sie den Arbeitszyklus — Lassen Sie den Motor mit Spannung laufen, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erzeugen, anstatt die volle Spannung durch PWM zu modulieren.
Drei häufige Ursachen gemäß den Anleitungen zur Fehlerbehebung: (1) Der Motor ist abgestürzt — selbst bei niedrigem Befehl erhöht der Stillstandsstrom = V/R_winding , was den 5- bis 10-fachen Betriebsstrom betragen kann; (2) Eine hohe PWM-Frequenz mit niedriger Motorinduktivität erhöht die Stromwelligkeit und den RMS-Strom über den Durchschnitt; (3) Durchschlag bei Totzeitübergängen — unzureichende Totzeiten führen bei jedem PWM-Zyklus zu kurzen Versorgungsengpässen, die unabhängig von der Motorlast zu festen Verlusten führen. Überprüfen Sie den tatsächlichen Motorstrom mit einer Stromsonde, nicht nur mit einem Befehlssignal.

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