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ーからモータードライバーICの電力損失と接合部温度を決定します。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。最大ジャンクション温度を超えるとサーマルシャットダウン (通常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。つまり、P_Total = P_cond + P_SW です。導通損失は次のようになります。P_cond = I² × R_DS (on) × D (D はデューティサイクル)。スイッチング損失の概算値:P_SW ≈0.5 × V × I × (t_rise + t_fall) × f_sw20 kHz の標準的な 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)。
JEDEC JESD51 による接合部温度の計算:t_J = T_Ambient + P_Total × R_θ jaメーカー指定の R_θ JA では、PCB の銅線が最小限であることが前提となっています (JEDEC 規格では 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、有効R_θ JAは30～ 50% 減少します。テキサス・インスツルメンツの DRV8876 (R_DS (on) = 565 mΩ、R_θ JA = 35°C/W) は、連続で 3 A で消費電力が 5.1 W になり、自由空気中では 178 °C のジャンクションに達します。つまり 150 °C の最大温度を超えます。PCB の適切な熱設計により、R_θ JA は 20-25°C/W に低下し、127～152°C の安全な動作が実現します。
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 (オン) = 320 mΩ (H ブリッジあたり)、R_θ JA = 42°C/W (TSSOP-16)、T_J 最大 = 150°C。PWM 周波数は 25 kHz、デューティサイクル 75%。
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 = チャネルあたり 0.54 W デュアル H ブリッジの合計:0.54 × 2 = 1.08W
ステップ 2 — スイッチング損失の推定: t_sw = 立ち上がりが 50 ナノ秒で下降が 50 ナノ秒だと仮定すると、 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でのジャンクション温度の測定: t_J = t_AMB + P × R_θ JA = 40 + 1.15 × 42 = 88.3°C 制限までのマージン:150-88.3 = 61.7°C — 許容範囲
ステップ 5 — 最大許容電流の計算: 周囲温度40°Cで150°Cの場合の最大電力値:(150-40) /42 = 2.62W i_max = √ (P_max/ (R_DS (on) × D × 2)) = √ (2.62/ (0.32×0.75×2)) = 2.34A /チャネル
結果:モーターあたり 1.5 A、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。これは制限値を十分に満たす範囲内です。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 2.3A を処理できます。サーマル・ビアを追加すると (R_θ JAを30°C/Wに低減します)、2.7Aの動作が可能になります。
実践的なヒント
- ✓テキサス・インスツルメンツのレイアウト・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_θ JAが30～ 40% 減少します。
- ✓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（標準50〜500mΩ）の代わりにディスクリートMOSFET（R_DS（オン）<10mΩ）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R_θ JAのみを使用:JEDEC JESD51によると、R_θJAは最小限の銅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、実効R_θ JAを30～ 50% 低減し、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
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