對更高功率密度的需求推動(dòng)電動(dòng)工具創(chuàng )新解決方案

電動(dòng)工具中直流電機的配置已從有刷直流大幅轉向更可靠、更高效的無(wú)刷直流（BLDC）解決方案轉變。斬波器配置等典型有刷直流拓撲通常根據雙向開(kāi)關(guān)的使用與否實(shí)現一個(gè)或兩個(gè)功率金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）。另一方面，三相BLDC配置需要三個(gè)半橋或至少六個(gè)場(chǎng)效應管（FET），因此從有刷電流轉向無(wú)刷電流意味著(zhù)全球電動(dòng)工具FET總區域市場(chǎng)增長(cháng)了3到6倍（見(jiàn)圖1）。

圖1：從有刷拓撲轉換到無(wú)刷拓撲意味著(zhù)FET數量出現了6倍倍增

但BLDC設計在這些FET上提出了新的技術(shù)要求。例如，若電路板上FET的數量6倍倍增也意味著(zhù)驅動(dòng)電機所需的印刷電路板（PCB）占用面積增加了6倍，那么BLDC設計不大可能仍適用于電動(dòng)工具和園藝工具制造商。電力電子設備通常位于這些工具的手柄中；因此，為適應最小的手部尺寸，應用通常受空間限制的影響極大（參見(jiàn)圖2）。市場(chǎng)需要功率密度更高的解決方案，換言之，就是需要在狹窄空間中處理更多電流的FET。

圖2：在大多數電動(dòng)工具中，電子設備都位于手柄中

傳統意義上講，適用于驅動(dòng)大功率電機的FET其封裝又大又重，如TO-220、DPAK和D2PAK。但像TI的小型無(wú)引線(xiàn)封裝（SON）5mm×6mm FET這類(lèi)最新方形扁平無(wú)引線(xiàn)（QFN）封裝可在硅片和源極管腳之間提供更小的封裝電阻。單位面積的電阻較小意味著(zhù)單位面積的傳導損耗較少，也意味著(zhù)電流能力和功率密度更高。因此，隨著(zhù)FET硅單位面積的電阻（RSP）繼續降低（大致相當于過(guò)去每代產(chǎn)品的一半），電動(dòng)工具、園藝工具和家用電器行業(yè)的QFN解決方案出現快速增長(cháng)也就不足為奇了。這些較小的FET現在通常能夠驅動(dòng)高達30A或更高的直流電機電流；即使對于功率更高的設計，并行采用多個(gè)QFN有時(shí)更適用于更大的封裝。畢竟，兩個(gè)5mm×6mm的器件在60mm2的總PCB面積中仍只相當于占用一個(gè)D2PAK的一小部分尺寸，D2PAK在總PCB空間上約為10mm×15mm，即150mm2（見(jiàn)圖3）。

圖3：半橋所需的PCB空間（未按比例畫(huà)出）

TI最近通過(guò)將兩個(gè)FET縱向集成到單一封裝中，將這一趨勢歸結為邏輯結論，在一個(gè)SON 5mm×6mm的功率模塊中提供整個(gè)半橋。40V CSD88584Q5DC和 60V CSD88599Q5DC采用與德州儀器低電壓功率模塊相同的堆疊裸片技術(shù)，用于高頻電源應用，同時(shí)采用了優(yōu)化的硅片，以減少大電流電機驅動(dòng)應用的傳導損耗。除減小在PCB上并排兩個(gè)FET所帶來(lái)的寄生電感外，縱向集成兩個(gè)FET可在同一封裝中容納更多的硅，從而實(shí)現比分立QFN器件更高的功率密度。

這些器件還具有帶裸露金屬頂部的耐熱增強型DualCool?封裝。因此，盡管仍存在一些情況，使得電動(dòng)工具制造商可能更傾向于使用TO-220 FET來(lái)表面貼裝FET，因為這些FET可安裝在大型散熱器上以將熱量從PCB排出，但是這些功率模塊采用QFN封裝提供了同樣的好處。例如，即使在最理想的熱環(huán)境中，通常也不鼓勵在典型的5mm×6mm的QFN中耗散3W以上的功率。但是通過(guò)適當地使用散熱器，這些DualCool器件可以應對6W或更多的功耗，功率密度翻了一倍，而PCB占用面積減少了一半。

如今，在電動(dòng)工具、園林工具及電池供電的家用電器中推出更受歡迎的BLDC電機時(shí)，功率密度就成為最重要的因素。TI新型功率模塊解決方案可在前所未有的水平上實(shí)現這一目標。