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Dissipação de energia do driver do motor

Calcule a dissipação de energia discreta do IC do driver do motor ou do MOSFET, incluindo perda de condução e perda de comutação em uma determinada frequência PWM.

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Fórmula

P_cond = I² × R_DS × D, P_sw = f × Qg × V

R_DS — On-state resistance (Ω)
Qg — Gate charge (nC)

Como Funciona

A dissipação de energia em um IC de acionamento de motor consiste em perdas de condução (I² × R_DS (ligado) × ciclo de trabalho) e perdas de comutação (proporcionais a V × I × frequência de comutação). Em baixas frequências de PWM, as perdas de condução dominam; em altas frequências, as perdas de comutação dominam. A temperatura da junção deve ficar abaixo da classificação máxima do IC: T_j = T_ambient + P_dissipated × R_θja (junção de resistência térmica para ambiente). Exceder T_j_max aciona o desligamento térmico e causa quedas intermitentes do motor.

Exemplo Resolvido

Um IC de acionamento de motor DRV8876 (R_DS (ligado) = 565 mΩ no total de alto+lado baixo, R_θja = 35 °C/W) aciona um motor de 12 V a 3 A contínuo e 80% de ciclo de trabalho. A temperatura ambiente é de 40 °C.
Etapa 1 — Perda de condução:
P_cond = I² × R_DS (ligado) × D = 3² × 0,565 × 0,80 = 4,07 W
Etapa 2 — Perda de comutação (suponha F_pwm = 20 kHz, t_sw = 100 ns):
P_sw ≈ V × I × t_sw × f = 12 × 3 × 100e-9 × 20000 = 0,072 W (insignificante aqui)
Etapa 3 — Dissipação total:
P_total = 4,07 + 0,07 = 4,14 W
Etapa 4 — Temperatura de junção:
T_j = T_Amb + P × R_θja = 40 + 4,14 × 35 = 40 + 144,9 = 184,9 °C
Etapa 5 — T_j máximo para DRV8876 = 150 °C → EXCEDIDO
Solução: Reduza a corrente do motor para 2 A ou adicione uma almofada térmica ao PCB para despejar cobre.
A 2 A: P_cond = 2² × 0,565 × 0,80 = 1,81 W → T_j = 40 + 1,81 × 35 = 103,4 °C ✓
Resultado: a 3 A, esse driver superaquece em ar livre a 40 °C. Reduza para 2 A ou use um coletor de cobre ou um dissipador de calor externo para reduzir R_θja.

Dicas Práticas

  • ✓Exponha a almofada térmica na parte inferior dos pacotes de acionamento do motor QFN/DFN e solde-a a uma camada de cobre com pelo menos 4 vias térmicas no plano de aterramento na camada oposta.
  • ✓Meça a temperatura do IC do driver com um termômetro infravermelho durante o teste inicial de inicialização — a temperatura da superfície acima de 80 °C indica resfriamento insuficiente e requer melhoria no layout do PCB
  • ✓Para alto ciclo de trabalho ou operação contínua, selecione um acionador de motor com retificação síncrona (MOSFET de roda livre no lado inferior em vez de diodo corporal) para reduzir pela metade as perdas de condução de roda livre

Erros Comuns

  • ✗Usando o valor puro de R_θJA (junção para ambiente) da folha de dados sem considerar a área de cobre do PCB - um grande vazamento de cobre pode reduzir o R_θJA efetivo em 30— 50%
  • ✗Ignorando o ciclo de trabalho nos cálculos de perda de condução - a perda de condução é dimensionada com o ciclo de trabalho, portanto, um motor em marcha lenta a 20% do ciclo de trabalho dissipa apenas 1/4 da potência de 80% do ciclo de trabalho na mesma corrente
  • ✗Calculando a dissipação de energia na corrente nominal sem contabilizar a corrente operacional real — os motores raramente consomem corrente nominal continuamente; use a corrente RMS para uma estimativa precisa da perda

Perguntas Frequentes

R_θja é a resistência da junção ao ambiente — o caminho térmico total da matriz para o ar circundante. R_θjc é a resistência de junção a caixa — somente o caminho da matriz até a superfície da embalagem. Use R_θja para cálculos ao ar livre sem um dissipador de calor. Use R_θjc mais uma resistência separada ao dissipador de calor para embalagens resfriadas externamente. Para ICs com almofadas térmicas expostas, a área de cobre do PCB determina fortemente o R_θJA efetivo.
Menor R_DS (ligado): escolha um driver com menor resistência ou use MOSFETs discretos. Reduza a corrente: use uma caixa de câmbio para permitir uma menor corrente do motor com o mesmo torque de saída. Reduza o ciclo de trabalho: opere em uma velocidade média mais baixa. Melhore o resfriamento: aumente a área de vazamento de cobre do PCB, adicione vias às camadas internas ou conecte um dissipador de calor.
Em baixas cargas do motor, as perdas de comutação podem dominar se a frequência PWM for muito alta. A corrente quiescente e as perdas de carga do capacitor de inicialização também são despesas gerais fixas. Além disso, se o motor estiver parado (alta corrente em velocidade zero), toda a energia é aquecida sem saída mecânica. Verifique se o motor está realmente funcionando ou parado durante a condição quente.

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