モータードライバーの電力損失
特定のPWM周波数での伝導損失とスイッチング損失を含むモータードライバーICまたはディスクリートMOSFETの電力損失を計算します。
公式
仕組み
この計算機は、オン抵抗、スイッチング周波数、および熱抵抗のパラメータから、モータドライバICの電力損失と 接合部温度を計算します。PCB 設計者、組み込みシステムエンジニア、および熱分析者は、これを使用してドライバー IC が安全な動作温度内にとどまっていることを検証します。最大 接合温度を超えると、サーマルシャットダウン（通常は150〜175°C）がトリガーされ、モーターのドロップアウトが断続的に発生します。
半導体の物理特性によると、ドライバの損失は導通損失とスイッチング損失で構成されます。 P_total = P_cond + P_sw. 伝導損失は P_cond = I² × R_DS(on) × D、Dはデューティサイクルです。スイッチング損失の近似値: P_sw ≈ 0.5 × V × I × (t_rise + t_fall) × f_sw. 20 kHz の一般的な3A モータードライバーでは、導通損失が支配的です (2 ～ 5 W 対 0.1 ～ 0.3 W のスイッチング)。
[接合部温度] JEDEC JESD51に基づく(/calculators/thermal/junction-temperature/)計算: T_j = T_ambient + P_total × R_θJA. メーカー指定の R_θJA はPCBの銅が最小限であることを前提としています (JEDEC規格によると1 in² )。最適化された熱設計（4層PCB、サーマルビア、大量の銅注入）により、効果的な R_θJA は30～ 50% 削減されます。テキサス・インスツルメンツ（DRV8876 (R_DS(on) = 565 mΩ, R_θJA = 35°C/W）は、連続3Aで5.1Wを消費し、自由空気中で178°Cのジャンクションに達します。これは最大150°Cを超えます。PCBの熱設計を適切に行うことで、 R_θJA を20〜25°C/Wに低減し、127～152°Cの安全な動作を実現できます。
計算例
2つの12V/1.5Aモーターを駆動するDRV8833デュアル Hブリッジの熱性能を確認してください。IC 仕様: R_DS(on) = 320 mΩ (H ブリッジあたり)、 R_θJA = 42°C/W (TSSOP-16)、 T_j max = 150°C。PWM 周波数は 25 kHz、デューティサイクル 75% です。
ステップ 1 — チャネルあたりの導通損失の計算: P_cond = I² × R_DS(on) × D = 1.5² × 0.320 × 0.75 = 0.54W（チャンネルあたり） デュアル H ブリッジの合計値:0.54 × 2 = 1.08W
ステップ 2 — スイッチング損失の推定: t_sw = 50 nsの上昇+50nsの低下を仮定すると、 P_sw = 0.5 × 12 × 1.5 × (100e-9) × 25000 × 2 チャネル = 0.045W (ごくわずか)
ステップ 3 — 総消費電力の計算: P_total = 1.08 + 0.045 + 0.02 (静止状態) = 1.15W
ステップ 4 — 周囲温度40°Cでの 接合部温度の測定: T_j = T_amb + P × R_θJA = 40 + 1.15 × 42 = 88.3°C 限界までのマージン:150-88.3 = 61.7°C — 許容範囲
ステップ 5 — 最大許容電流の計算: P_max 周囲温度40℃で150℃の場合:(150-40) /42 = 2.62W I_max = √(P_max / (R_DS(on) × D × 2)) = √(2.62/(0.32×0.75×2)) = 2.34A (チャンネルあたり)
結果:モーターあたり1.5A、デューティ・サイクルが 75% の場合、ジャンクションは 88°C に達します。これは十分に制限内です。このドライバは、周囲温度が 40°C でサーマル・シャットダウンする前に、チャネルあたり最大 2.3 A を処理できます。サーマル・ビアを追加すると ( R_θJA を30°C/Wに削減)、2.7Aの動作が可能になります。
実践的なヒント
- ✓Texas Instrumentsのレイアウトガイドラインによると、QFN/DFNパッケージのサーマルパッドを露出させ、少なくとも9つのサーマルビア（直径0.3mm）で内側のグランドプレーンに接続します。これにより、 R_θJA を30〜40％削減できます
- ✓初期テスト中に赤外線温度計でIC表面温度を測定します。表面が85°Cを超えると接合部が限界に近づき、表面が100°Cを超えると信頼性ガイドラインに従ってPCBを再設計する必要があります
- ✓電流が5Aを超える場合は、内蔵ドライバ（50-500 mΩ 標準）の代わりにディスクリートMOSFET（ (R_DS(on) < 10 mΩ ）（TO-220で入手可能）を検討してください。外部FETは、同じ電流で消費する電力が10〜50倍少なくなります。
よくある間違い
- ✗PCBを考慮せずにデータシートのベア R_θJA を使用する：JEDEC JESD51によると、 R_θJA は最小限の銅線で測定されています。サーマルビアとグランドプレーンを備えた4層PCBは、有効 R_θJA を30〜50％削減し、1.5倍の電流を可能にします
- ✗電力計算におけるデューティ・サイクルを無視:デューティ・サイクルが 50% の場合、導通損失は 100% デューティ・サイクルの半分になります。90% のデューティで高温のドライバは 50% で冷却されるため、PWM 制御の速度ではピーク電流が高くなる可能性があります。
- ✗平均ではなくピーク電力の計算:熱力学により、接合部温度は平均電力に応答します (熱時定数は10～100ミリ秒)。PWMアプリケーションでの正確な熱解析にはRMS電流を使用
よくある質問
関連記事
Shop Components
As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.