UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN ELECTROMECÁNICA
PROYECTO DE FIN DE GRADO
Controlador de Motor Brushless DC para Arduino
AUTOR: LUIS MARTÍNEZ-BROCAL MARTÍNEZ-BROCAL CONTRERAS MADRID, MAYO DE 2014
Autorizada la entrega del proyecto al alumno:
Luis Martínez-Brocal Contreras
EL DIRECTOR DEL PROYECTO
Fidel Fernández Bernal
Fdo:
Fecha:……../mayo/14
VºBº DEL COORDINADOR DE PROYECTOS Fernando de Cuadra García
Fdo:
Fecha:……../mayo/14
AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN 1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. Luis Martínez-Brocal Contreras, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra “Proyecto de fin de grado: Controlador de Motor Brushless DC para arduino”, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra. En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita. 2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan ) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente. 3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá: (a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet. 1 (d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.
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4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a: a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento. b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio. c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación (
[email protected]). d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN. d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella. 5º. Deberes del autor.
El autor se compromete a: a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro. b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros.
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En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos: (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional
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En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión. 6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades: a) Deberes del repositorio Institucional: - La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas. - La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras. - La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro. b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas: - retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.
Madrid, a 28 de Mayo de 2014
ACEPTA Fdo.:
CONTROLADOR DE MOTOR BRUSHLESS DC PARA ARDUINO Autor: Martínez-Brocal Contreras, Luis.
Director: Fernández Bernal, Fidel. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO Este proyecto se ha centrado en los motores brushless dc, siendo estos motores el último desarrollo en motores de corriente continua y presentando ciertas ventajas respecto a otros tipos. Estas son principalmente su alto ratio par-peso y su reducido tamaño, factor determinante para su implantación en todo tipo de vehículos ligeros en el que la mayor parte del espacio lo ocupan las celdas de batería. Además presentan otra s ventajas que se detallan en el siguiente documento. Este tipo de motores precisan de un controlador electrónico para su funcionamiento. Siendo los objetivos de este proyecto el diseño, desarrollo y producción de un controlador funcional de forma que este comprenda la parte de hardware y el software correspondiente. Este controlador permitirá regular y medir el par entregador por el motor. El hardware será un shield de arduino por lo que el software estará dirigido a su funcionamiento en una placa arduino. Un shield es una placa que se conecta en la parte superior de una placa arduino con el fin de aumentar sus funciones o capacidad. En este caso la capacidad que aporta el shield es principalmente la de un chip de electrónica de potencia con el que poder realizar la conmutación del motor. Además también añade otras funciones como medir la corriente que pasa por el motor o realizar la alimentación de distintos componentes. Este shield junto con el software desarrollado permitirá a cualquier persona que tenga una placa arduino (due o mega) la posibilidad de construirse de una manera fácil su propio controlador de motores brushless con control de par, listo y preparado para utilizarlo en diferentes vehículos o dispositivos como bicicletas, monopatines, c uadriciclos,… El objetivo del proyecto es que el controlador tuviera unas características para poder funcionar con motores de hasta 36V y 10 A. Finalmente ha resultado que la placa admite motores de hasta 50V con corrientes de 8 A nominal y de forma dinámica hasta 13 A, llegando a poder manejar motores con una potencia nominal de hasta 400W. Para el diseño de la placa se ha utilizado un software llamado EAGLE. Este programa en primer lugar ha sido necesario aprender a utilizarlo y tras esto el desarrollo de la placa se ha realizado paso a paso creando todas las funciones que se habían propuesto. Cabe destacar algunas funciones que se han desarrollado en la placa. La primera es que esta permite desde un sistema de alimentación como puede ser una batería alimentar al conjunto controlador, motor y arduino de forma completa no siendo necesario ningún tipo de alimentación auxiliar. Esto supuso cierto desafío dado los diferentes niveles de
tensión entre los componentes que se alimentan. Esta alimentación debe estar en un rango entre 17 y 50 voltios. También durante el desarrollo ha sido necesaria la creación de librerías de los distintos componentes para EAGLE ya que gran parte de estos no existían previamente en dicho programa. La placa se ha diseñado de forma que puede ser controlada desde una placa arduino due o mega. Esto ha supuesto un reto durante el desarrollo de la placa ya que el modelo due funciona a 3.3V mientras que el modelo mega funciona a 5V. Finalmente se ha resuelto este problema de forma satisfactoria mediante un conjunto de divisores de tensión. Otra característica importante de la placa es su capacidad para medir la corriente que pasa por el motor en todo momento y con esto poder estimar el par entregado por el motor. Por último cabe destacar que la placa está preparada para informar de todo tipo de faltas que ocurran y poder actuar en consecuencia. En cuanto al desarrollo del programa de control, este realiza todas las operaciones necesarias para el control del motor, desde manejar todas las entradas y salidas, incluyendo la del potenciómetro externo que indica el par deseado como la conmutación de fases. Además este programa incluye un control PID, que se puede adaptar a todo tipo de motores permitiendo con este una regulación precisa del par. Además este programa modifica la frecuencia del microprocesador y en consecuencia la frecuencia de conmutación del PWM de salida para reducir el ruido y vibraciones del motor. Por último, una de las características más importantes del programa es el uso de interrupciones. Estas son unas funciones del microprocesador que permite detener la ejecución del programa (rutina principal) de forma instantánea y pasar a una subrutina como respuesta a una señal externa del arduino. Estas interrupciones permiten que el control funcione correctamente dado lo críticos que son los tiempos de ejecución y proce so de las diferentes operaciones del programa . Esto se debe a la velocidad a la que giran los motores y la cantidad de cálculos que requiere su conmutación. Con el fin de tener el producto terminado se ha llevado a cabo una descripción del proce so de fabricación del prototipo y todas las pruebas que este ha tenido que pasar hasta su manufactura. Estas pruebas se han realizado tanto en el programa EAGLE como con el software propio del fabricante, y comprenden aspectos como pruebas eléctricas y mecánicas y de fabricación. Todas las pruebas han sido pasadas de forma satisfactoria. Finalmente se incluye un pequeño estudio económico de la fabricación del controlador tanto a nivel de prototipo como de su fabricación en grandes cantidades destinadas a la comercialización. En este se han indicado los diferentes costes desglosados y precio final. Dentro de los costes, las principales partes son los componentes, la fabricación de la placa y ensamblaje del conjunto.
BRUSHLESS DC MOTOR CONTROLLER FOR ARDUINO Author: Martínez-Brocal Contreras, Luis.
Director: Fernández Bernal, Fidel. Collaborating Partner: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
PROJECTO SUMMARY This project has focused on brushless dc motors, these motors have been the latest development in dc motors and they have certain advantages over other types . These are mainly high torque -to-weight ratio and small size , decisive for implementation in all types of light vehicles in which most of the space is occupied by the battery cells. Also they have other advantages which are detailed in the following document. These motors require an electronic controller to operate. The objectives of this project are the design, development and production of a functional controller, including the hardware and the corresponding software. This controller will regulate and measure the engine torque by the motor. The hardware will be a shield for arduino so the software is intended for operation in an Arduino board. A shield is a board that plugs into the top of an Arduino board in order to increase its functions or capacity. In this case the capacity provided by the shield is mainly a power electronic chip with which to perform the switching of engine phases. Moreover it adds other functions as measuring the current through the motor power or supply power to all the components. This shield together with the developed software will allow any person with an Arduino board ( due or mega model) the possibility of building in an easy way their own controller brushless motors with torque control , ready and prepared for use in different vehicles or devices as bicycles , scooters , ... The objective of the project is that the driver had characteristics to function with motors up to 36V and 10 A. Finally it has resulted that the board supports up to 50V motors with nominal currents of 8 A and up to 13 A dynamically, being able to handle motors with a nominal power of up to 400W. For board design it has been used a software called EAGLE. This program was first necessary to learn to use it and after that the development of the board was performed step by step creating all the features proposed previously. It must be highlighted some functionalities that have been developed on the board. The first is that it allows for a system of power supply such as a battery to feed the controller, the engine and the Arduino board, not being necessary any auxiliary power supply. This was a challenge because of the different levels of voltage between the components to be powered. This power must be in a range between 17 and 50 volts. Also during the design process it has been necessary to develop several libraries for the different components in EAGLE since most of these did not previously exist in the program.
The board is designed so that it can be controlled from an Arduino Mega board or Due. This has been a challenge for the development of the board as the voltage reference of the due model operates at 3.3V while the mega model operates at 5V. Finally this issue is resolved by a set of voltage dividers. Another important feature of the board is its ability to measure the current through the motor at all times and thereby to estimate the torque delivered by the motor. Finally it should be noted that the board is prepared to report all types of faults that occur and to act accordingly. Regarding the development of the control program, it performs all the necessary operations to take control of the motor. They are mainly driving all inputs and outputs, including the external potentiometer for indicating the desired torque and switching the phases. Furthermore, this program includes a PID control, which can be adapted to all kind of motors which allows precise control of the torque. Furthermore the program changes the frequency of the microprocessor and hence the switching frequency of the PWM output to reduce noise and motor vibration. Finally, one of the most important features of the program is the use of interruptions. They are some functions that allow the microprocessor to stop program execution (main routine) instantly and move to a subroutine in response to an external signal from the arduino. These breaks allow the control to function properly given how critical are the execution times of the different process and program calculations. This is because the rotating speed of the motors and the amount of computation required for its switching. In order to have the finished product it has been carried out a description of the manufacturing process of the prototype and all the tests that this has had to take up until its manufacture. These tests were performed both in the EAGLE program and in the manufacturer's propietary software. The tests check aspects such as electrical and mechanical properties and manufacturing details. All tests have been passed successfully. Finally a small economic study of the manufacturing has been carried out for the controller at prototype stage and its manufacture in bulk for commercialization. We have outlined the different disaggregated costs and final price. Within the costs, the main parts are the components, board manufacture and assembly of the complete product.
Í NDICE Parte I: Memoria ........................................................................................ 1 Capítulo 1: Introducción ................................................................................................3 Introducción a Arduino y a su uso como controlador de motores ...................................3 Chip de potencia Texas Instruments DRV8332 .................................................................4 Historia ..............................................................................................................................5 Aplicaciones.......................................................................................................................6 Comparación: ventajas y desventajas ...............................................................................8 Capítulo 2: Funcionamiento del Motor Brushless DC .....................................................9 Teoría de funcionamiento .................................................................................................9 Capítulo 3: Placa shield para Arduino .......................................................................... 15 Objetivos ........................................................................................................................ 15 Detalles de diseño .......................................................................................................... 18 Características y componentes de la placa Shield ......................................................... 27 Diseño PCB ..................................................................................................................... 31 Fabricación de la placa ................................................................................................... 35 Capítulo 4: Software de control ................................................................................... 39 Objetivo .......................................................................................................................... 39 Detalles del programa y su funcionamiento .................................................................. 40 Capítulo 5: Futuros desarrollos y conclusión ................................................................ 43 Capítulo 6: Bibliografía ................................................................................................ 45
Parte II: Código Fuente ..............................................................................47 Parte III: Estudio económico del proyecto ..................................................57 Costes de fabricación del prototipo ............................................................................... 60 Costes de fabricación en masa (más de 1000 unidades) ............................................... 60
Parte IV: Anexos ........................................................................................61 Planos ......................................................................................................................... 63
Parte I: Memoria
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Capítulo 1: Introducción
Introducción a Arduino y a su uso como controlador de motores
En este proyecto se ha propuesto el diseño completo de un controlador para motores brushless DC de forma que se diseñe un software de control dirigido a placas arduino y una placa PCB. Esta placa PCB consistirá en un shield para arduino. Una placa shield se define como una placa que se conecta en la parte superior de arduino con el fin de aumentar sus capacidades. En este caso, la capacidad que se quiere añadir a arduino es la de integrar un chip de electrónica de potencia con el que poder controlar motores de unos valores de potencia concretos superiores a los valores de potencia que puede manipular una placa arduino por sí sola. Las razones por la que se ha optado por diseñar el controlador en torno a una placa arduino son varias entre las que se encuentran la facilidad para el desarrollo de software en esta plataforma. Por otro lado arduino es una plataforma abierta (hardware y software). Y finalmente que cualquier persona con un arduino pueda construirse un controlador de motores brushless DC que sea versátil en cuanto a rango de diferentes motores con los que funciona y que permite a su vez al estar basado en arduino el poder ampliar de multitud de formas sus funciones y usos. Para este proyecto, la placa shield se va a diseñar para ser compatible con dos modelos de arduino, arduino mega y arduino due. Las razones por las que se han elegido estas dos placas son que ambas presentan muy buenas características a nivel de velocidad en el microprocesador y por tener varias interrupciones disponibles. Además estos dos modelos presentan la misma forma física de la placa, por lo que al diseñar una sola placa shield, esta sea compatible con los dos modelos a nivel de conexiones.
1. Ejemplo de shield para arduino que añade la capacidad de bluetooth
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Chip de potencia Texas Instruments DRV8332 El componente base de la placa shield es el chip de electrónica de potencia DRV8332. Se ha optado desde el comienzo del proyecto por este componente dadas sus características, ya que no solo presenta un tamaño muy reducido sino que es capaz de operar tensiones y corrientes muy altas en relación al tamaño de su encapsulado. Las uniones de este chip a la placa son de tipo SMD (montaje superficial), esto significa que sus pines no atraviesan de una cara de la placa hasta la otra. Las principales características eléctricas de este chip son:
Alta eficiencia en la etapa de potencia (hasta el 97%) Tensión de operación de hasta 50V (70V absolutos) Corriente de operación de hasta 8 amperios (13 amperios de pico) Control independiente de las tres fases Basado en MOSFETs Sistema integrado de protecciones Hasta 500kHz de frecuencia PWM de conmutación
2.Chip de potencia TI DRV8332
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Historia Los motores brushless dc representan el último desarrollo de la historia en cuanto a motores eléctricos DC se refiere. Antes de que existiesen este tipo de motores, lo que existía eran los motores de corriente continua o también denominados motores de corriente continua con escobillas. Uno de los primeros e importantes desarrollos sobre el motor de corriente continua fue el sistema de control basado en un reóstato con el que se controlaba la velocidad de giro del motor. Este sistema estuvo vigente hasta mitad del siglo XX aproximadamente cuando se desarrolló controladores basados en tiristores que eran ya capaces de convertir corriente alterna en corriente continua rectificada directamente. Los primeros motores de corriente continua sin escobillas o también llamados motores brushless dc fueron introducidos como una máquina de corriente continua con conmutación de estado sólido, destacando como característica principal el carecer de un conmutador físico como eran previamente las escobillas. El problema inicial con estos nuevos motores se debió a que estos no admitían tanta potencia como los tradicionales motores de corriente continua a pesar de la gran fiabilidad que ofrecían los motores brushless dc. Esto cambió en los años ochenta cuando los materiales para imanes permanentes se hicieron totalmente disponibles y comerciales. La combinación de estos imanes junto con transistores de alta potencia permitió a los motores brushless dc adelantarse a los motores dc tradicionales al poder ahora sí admitir potencias mucho mayores.
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Aplicaciones Los usos de este tipo de motores son muy variados comprendiendo una gran variedad de industrias en las que se utilizan, como son las siguientes:
Electrodomésticos Automoción Aeronáutica Electrónica de consumo Ingeniería biomédica Robótica Equipamiento industrial
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Las características por las que destaca y que hacen de este tipo de motor una buena opción en aplicaciones como las previamente expuestas son las siguientes:
Excelente relación par/peso, par/peso, permitiendo realizar diseños de productos más ligeros y pequeños con muy buenas características de funcionamiento.
Alta eficiencia, eficiencia, al no existir pérdidas en el rotor y en consecuencia esta característica hace realmente interesante este tipo de motores para aplicaciones alimentadas con baterías en las que q ue reducir las pérdidas al máximo es algo crítico para aumentar la autonomía.
Larga vida útil, útil, ya que al carecer de escobillas para realizar la conmutación, estos motores no requieren apenas mantenimiento, convirtiéndolos en una opción realmente interesante para aplicaciones en las que el mantenimiento es costoso o difícil, como pueden ser implantes médicos o productos sin apenas posibilidad de fallo.
Existe un gran rango de modelos de modelos de este motor en gran cantidad de diferentes tamaños y pesos, par y potencia, velocidad. Apareciendo desde motores de gran potencia y tamaño utilizados por ejemplo para coches eléctricos o en la industria hasta motores muy pequeños, de hasta unos pocos milímetros utilizados en implantes médicos.
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Comparación: ventajas y desventajas d esventajas
Conmutación Mantenimiento Vida útil Característica par/velocidad
Rendimiento Inercia del rotor
Rango de velocidad
Coste de fabricación Control
Motor Brushless DC De tipo electrónica basada en sensores posición Muy poco ya que carece de escobillas Mayor Permite funcionar con par nominal a lo largo de todo el rango de velocidades
Es requerido de forma periódica Menor Permite funcionar con par nominal casi en todo el rango de velocidades excepto a altas velocidades en las que cae ligeramente debido al rozamiento de las escobillas Alto, debido a que no hay Medio pérdidas en el rotor Baja, mejorando la Media, empeorando la respuesta dinámica del respuesta dinámica del motor motor Alto, ya que no se Limitado debido al encuentra limitado rozamiento de las mecánicamente escobillas Alto, debido al coste de los Alto, debido a baja imanes permanentes del demanda rotor Algo más complejo Algo más simple
Motor Brushless DC Característica Permite funcionar con par par/velocidad nominal a lo largo de todo el rango de velocidades Relación Potencia/tamaño Alta, gracias a los imanes del rotor se consigue un menor tamaño para una potencia dada Inercia del rotor Baja, mejorando la respuesta dinámica del motor Corriente de arranque Deslizamiento Control
Motor DC con escobillas Mediante escobillas
Motor de Inducción No lineal, poco par a bajas velocidades Moderado, ya que existen devanados tanto en el rotor como en el estator
Baja aunque mayor que la de un motor brushless, resultando en una peor respuesta dinámica La corriente nominal Bastante mayor que la corriente nominal Nulo entre el rotor y el Existente, siendo este estator proporcional al par motor Necesario siempre, No necesario a velocidad fija pero si en caso que se requiera velocidad variable costoso y complejo 8
Capítulo 2: Funcionamiento del Motor Brushless DC
Teoría de funcionamiento Los motores brushless son un tipo de motor síncrono, esto es, que tanto el campo magnético generado por el rotor como el del estator giran a la misma frecuencia. Una de las características que define este tipo de motor es que no existe el comúnmente denominado “deslizamiento”. Este tipo de motor existe en diferentes configuraciones aunque la más normal es la configuración dotada de tres fases.
Respecto al estator, estator, este se compone de tres devanados en la mayoría de los casos, pudiendo estar estos conectados en estrella o en triángulo aunque la configuración más común es la de estrella. Las tensiones inducidas son de forma trapezoidal.
EMF Trapezoidal
EMF Senoidal 3. Tensiones trapezoidales inducidas en el estator
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El rotor de este tipo de motores se compone de un conjunto de imanes permanentes que puede ser de diferentes materiales. Al principio se fabricaban en ferrita, siendo estos baratos pero con el problema de que generaban una densidad de flujo muy baja. Actualmente se están utilizando materiales que poseen características de flujo mucho mejores resultando en una densidad del mismo mucho mayor, permitiendo la fabricación de motores más pequeños y al mismo tiempo manteniendo las mismas capacidades de dar par. Entre los metales utilizados para la fabricación de estos imanes de última generación se encuentran el “neodimio+hierro+boro” y el “aluminio+niquel+cobalto”.
Sensores de efecto hall Al estar estos motores conmutados de forma electrónica ya que carecen de escobillas, los bobinados del estator han de ser alimentados de forma secuencial. Los cambios en la secuencia de alimentación se dan al variar la posición del rotor, midiendo la posición del mismo mediante sensores de efecto hall. Según tenga un polo u otro del imán de rotor cercano, estos sensores darán una salida alta o baja, pudiendo determinar a partir de las salidas de los diferentes sensores la secuencia exacta a aplicar en cada momento. Normalmente los sensores de efecto hall se encuentran a 120º o a 60º.
Secuencias de alimentación El funcionamiento de las secuencias consiste en que al tener tres devanados en estrella se va alimentando siempre uno con una tensión positiva por el que entra la corriente, otro con tensión negativa saliendo la corriente por este y un tercer devanado que no se encuentra alimentado y por lo tanto no circula corriente por el mismo. Para que el motor funcione, y por lo tanto genere par se tiene que dar la condición de que exista un ángulo entre el campo magnético generado por los devanados alimentados y el campo magnético propio de los imanes del rotor. Para obtener el máximo par y un funcionamiento perfecto el objetivo es mantener siempre el ángulo lo más cercano a 90º dando lugar al par máximo para unas condiciones de corriente dadas. De esta manera la secuencia en cada momento ha de ir adecuándose al giro del rotor de forma que se mantengan lo más posible la perpendicularidad entre ambos campos magnéticos.
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Característica par-velocidad
4. Relación par - velocidad
Tal como ya se ha expuesto previamente en este documento, la característica de este motor en cuanto a par-velocidad es totalmente horizontal, esto se traduce en que es capaz de dar par nominal en todo el rango de velocidades entre cero y la velocidad nominal. Fuera de esta zona de funcionamiento tenemos que existe una caída del par máximo al superar la velocidad nominal y otra zona que va desde velocidad cero hasta la velocidad nominal en la que el motor de forma temporal (el tiempo dependerá de cada modelo concreto de motor) es capaz de par un par mayor al par nominal, esto se traduce en un sobrecalentamiento por eso se puede definir esta capacidad de dar un par “extra” como
una característica dinámica.
Fuerza contraelectromotriz Cuando el rotor gira, se induce en el estator una tensión en oposición a la de la tensión suministrada. A partir de esto podemos obtener varias conclusiones. Teniendo en cuenta que esta tensión inducida en los devanados es linealmente proporcional a la velocidad de giro del rotor y que el par que entrega el motor es proporcional a la corriente que circula. Por lo que para un par concreto circula una corriente determinada siendo esta proporcional (cuya constante son las características de los devanados) a la tensión en los devanados que es igual a la tensión suministrada menos la tensión inducida por lo que para mantener un par constante la diferencia entre estas dos tensiones ha de ser constante. 11
Podemos añadir que si juntamos estas características con las limitaciones de tensión y corriente de los devanados obtendremos la característica de par velocidad representada en la gráfica anterior.
Se puede afirmar que si tenemos en cuenta el motor más el sistema de conmutación de las fases de manera conjunta podemos entender este tipo de motor igual que un motor de corriente continua con escobillas clásico, con la diferencia de que a nivel mecánico no tenemos el rozamiento debido a las escobillas. Por lo que el esquema eléctrico resultaría de la siguiente manera:
5. Esquema electromecánico del motor
Tenemos la tensión de alimentación Ui, y la tensión inducida Um. La corriente por los devanados es Ii resultando esta de:
El par generado es proporcional a la corriente. Tenemos que la potencia mecánica entrega es:
Control de Par
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Control de Velocidad
6. Diagrama de bloques del controlador
En el diagrama de bloques anterior se puede ver la secuencia de funcionamiento. A continuación se va a explicar de forma general ya que más adelante se explicará cada parte de forma más detallada. Lo primero a destacar es que todo el funcionamiento que este diagrama representa comprende tanto partes físicas del control como son la placa o el arduino como la parte de software, no diferenciando en este esquema las diferentes partes. Lo primero que se ve es “Par_ref”, esto es una señal que proviene de un dispositivo físico
externo a la placa como puede ser un potenciómetro dando lugar a una señal analógica entre un rango determinado, esta señal determina el par que se desea que entregue el motor en cada instante. Al ser el par resultante instantáneo directamente proporcional a la corriente medida en el motor por el sensor de corriente, se restan las señales de par deseado (“Par_ref”) y “I_medida”, de esta resta resulta el error de par o corriente
existente. Una vez obtenido dicho error, este se introduce en un control PID que dará lugar a un factor de servicio del PWM. Dicho PWM se genera además para unas fases concretas del motor. Para saber que fases debe alimentar en cada momento recibe información de los sensores de efecto hall del rotor y con esto lo calcula. Una vez ya que se sabe el factor de servicio y las fases, esta información se envía en forma de señal de baja potencia a un inversor que se encuentra integrado en un chip de potencia. Este inversor realiza lo que indiquen las señales pero ya a alta tensión, esto es, a niveles de electrónica de potencia. Finalmente esas tensiones de potencia resultantes alimentan ya directamente al motor DC 13
brushless. Este ciclo que se ha explicado se podría decir que es casi continuo en cuanto a que es el proceso que más veces se repite a gran velocidad. Paralelo a este proceso existe otro proceso que se determina por unas funciones llamadas interrupciones, que permiten para todos los procesos existentes y llevar a cabo una subrutina prioritaria. Esta subrutina es una función más y responde a un estímulo, que en este caso es el cambio de posición del rotor al ser indicado por uno o unos de los sensores hall. Al cambiar el valor de salida de uno de estos se paran el resto de procesos y se actualiza la información del rotor, esto es, se recalculan las fases que han de ser alimentadas. Una vez realizados los cálculos, se vuelve a la rutina principal ya explicada previamente.
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Capítulo 3: Placa shield para Arduino Objetivos La placa se ha diseñado para que sea compatible con los modelos de arduino Due y Mega. Esta utiliza su configuración de pines para la conexión entre la placa y el mismo arduino.
7. Placa Arduino Mega
8. Placa Arduino Due
El objetivo para el que se ha realizado esta placa es para el control de motores de tipo brushless, siendo estos motores de hasta 50V de tensión nominal y de hasta 8 A de corriente nominal. La placa aunque puede ser utilizada para realizar control de velocidad está pensada para realizar control de par.
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La placa se ha diseñado para conectarla a una alimentación del motor con un voltaje desde 17V hasta 50V siendo estos valores determinados por el chip de control y componentes respectivos a la alimentación. Otra característica de la placa es la capacidad de medir la corriente que circula por el motor en cada momento mediante un sensor. Esto permitirá realizar el control de par ya que la corriente es directamente proporcional al par del motor. La placa está pensada para hacer compatible todas las entradas y salidas de alta frecuencia que se utilizan para el control con los grandes esfuerzos tanto térmicos como de tipo electromagnético que se derivan de la parte de electrónica de potencia. Aunque los niveles de tensión de la entradas y salidas del arduino due y mega son diferentes (5V - 3.3V) la placa se encuentra preparada para adaptar estos niveles de tensión para su correcto funcionamiento. Al alimentar la placa con la batería que alimentará el motor también se alimenta desde esa misma fuente tanto el arduino como el chip de potencia. El arduino Due o Mega aporta la lógica de control, tratamiento de señales, entradas y salidas, mientras que la placa recibe los mandos del arduino controlando la parte de conmutación de fases alimentadas desde una batería o fuente de alimentación. Las entradas y salidas en la placa se dividen en parte de potencia y parte de control. Por la parte de potencia se tiene como conexiones por un lado un conector de dos vías para la alimentación del sistema completo, desde la placa y el arduino como el motor. Por otro lado se tiene un conector de tres vías donde se conectan las tres fases del motor.
ENTRADAS Sensor de corriente – Analógica Sensor de efecto Hall #1 – Digital Sensor de efecto Hall #2 – Digital Sensor de efecto Hall #3 – Digital Control externo físico – Analógica
SALIDAS PMW_A – Pwm PWM_B – Pwm PWM_C – Pwm RESET_A – Digital RESET_B – Digital RESET_C - Digital
Por la parte de control se puede decir que comparte todos los pines del arduino, pudiendo usarse estos como más nos convenga a excepción de unos cuantos seleccionados y ocupados para conexiones de la placa para el control del chip. Estos pines son 8 de los cuales 6 tienen características para realizar PWM. Estos 6 pines PWM se encargan de
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controlar cada fase del motor. De los 8 totales, los dos restantes se dedican al control de faltas tanto de tipo general como por sobrecorriente. Además de estos 8 pines existe una entrada más hacia el arduino desde la placa. Esta trata la medida de la corriente de circula por el motor. Esta entrada es de tipo analógica. Por última se requerirá utilizar otros cuatro pines para conectar los sensores de efecto hall del motor que son tres más una entrada que haga de control manual externo del sistema, como puede ser un potenciómetro o similares.
9. Esquema control y potencia
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Detalles de diseño En este apartado se comentarán detalles sobre el diseño para su funcionamiento: -Separación control y potencia: como puede apreciarse en las vistas de la placa se encuentran claramente diferenciados por zonas los componentes de potencia con los de control, con el fin de facilitar las conexiones, evitar sobrecalentamiento de componentes de control (dado que tanto los componentes de potencia como sus conexiones tienden a elevar bastante su temperatura). Una característica muy importante para el diseño de las pistas de potencia es el grosor o ancho de dichas pistas, que se ha diseñado de forma proporcional a la corriente que se espera que pase.
10.Diferenciación entre zona de control y potencia
11.Pistas de potencia, mayor grosor
18
12.Pistas de control, grosor inferior
-Interferencias: por otro lado se ha intentado distanciar lo posible del resto aquellas pistas y componentes que funcionan a altas frecuencias con el fin de evitar interferencias al igual que se ha intentado no realizar cruces de pistas de forma totalmente perpendicular o ángulos de 90º en giros. -Reguladores de tensión: estos tensión: estos componentes son al fin y al cabo convertidores dc-dc. Es importante destacar que durante el proceso de diseño y elección de componentes se estudiaron diferentes convertidores de tensión. Principalmente existían dos posibilidades, los primeros que se tuvieron en cuenta fueron los 78XX que sí que son válidos para esta aplicación pero son reguladores de tensión lineales y no de conmutación con las importantes pérdidas asociadas a este tipo de reguladores comparados con los de conmutación. Debido a las pérdidas y ya que la placa se espera funcione normalmente y debido a sus usos con baterías, se debe conseguir un sistema en el que se minimicen las pérdidas, razón por la que finalmente se escogieron los reguladores de tensión por conmutación que a pesar que su coste es mucho mayor, esto presentan eficiencias superiores al 90%.
13.Vista de los dos reguladores de tensión
19
-Diseño CAD de componentes: aunque el programa EAGLE lleva incorporadas gran variedad de librerías con el diseño tanto esquemático como real de diferentes componentes, en este caso de diseño al incorporar componentes muy concretos ha sido necesario en la mayor parte de los casos crear la librerías basándose en planos de especificaciones especificaciones del fabricante de cada componente. A continuación se muestran algunas librerías de componentes que se han desarrollado:
14. Paquete del transductor corriente
15.Esquemático del del transductor corriente corriente
16. Paquete del regulador de tensión
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17.Esquemático del regulador de tensión
18.Esquemático del chip de potencia
19.Paquete del chip de potencia
21
20.Esquemático del terminal 3 vías
21.Paquete del terminal 3 vías
-Adaptación de tensiones: en el diseño de la placa, con el fin de hacerla lo más versátil posible se ha tenido que solucionar un problema debido a que la placa Arduino Due trabaja con tensiones de 3.3 V mientras que la Arduino Mega funciona con tensiones de 5V, y por otro lado las tensiones admisibles del chip de control son en modo señal “HIGH” de 2V a
3.6V. Como se aprecia el Arduino Due funcionaría perfectamente mientras que el Arduino Mega dejaría inutilizado el chip ya que lo estaría sobrecargando. El problema se ha solucionado realizando un conjunto de divisores de tensión que permiten hacer que tanto una placa como la otra funcionen correctamente sin sobrecargar el chip. A continuación se exponen los cálculos realizados para el diseño de esta solución: Lo primero a tener en cuenta es que las tensiones de control del arduino alimentan los pines de entrada del chip de potencia. Estas tensiones del arduino poseen un valor fijo que puede ser de 3.3V o 5V, suya precisión depende directamente de la precisión de la alimentación de la placa arduino. Como la placa arduino la alimenta uno de los dos reguladores de tensión y la precisi ón de este regulador (“RECOM 9 -72Vin -5Vout - 0.5A”) a la salida es de un +-3% máximo se toma como margen de seguridad otro 2% adicional quedando finalmente la precisión de la tensión de salida del arduino en un 5%.
5V +- 250mV 3.3V +- 165mV 22
Teniendo en cuenta que los límites de salida de la tensión resultante debe estar entre 2V y 3.6V:
22. Esquema de divisor de tensión empleado
IN-máximo = 5V + 0.25V = 5.25V IN –mínimo = 3.3V – 0.165V = 3.135V OUT-máximo = 3.6V OUT-mínimo = 2V Tras realizar los cálculos, se llega a un resultado que ha permitido optar por unos valores de resistencias, siendo estos los siguientes: R1=3.3kΩ R2=7.15kΩ Se verifica que la corriente máxima que pasará por estas resistencias será de: I= 5.25V / (1000*(7.15+3.3)) = 0.5mA Al ser la corriente demandada tan baja no habrá problemas ni por cantidad de corriente ni por pérdidas. A continuación se comprueban estos valores en los diferentes casos posibles:
IN = 5.25V
OUT = 5.25 x
IN = 3.135V
OUT = 3.135 x
Finalmente para escoger los componentes se ha optado por resistencias de tipo SMD 402 debido a su pequeño tamaño, ya que son necesarias 12 resistencias (2 resistencias por cada una de las 6 señales de control). Estas resistencias, tanto R1 como R2, poseen una potencia máxima de 0.063W cada una. 23
De esta forma se comprueba con no se supera este valor en ningún caso, tomándose como máxima tensión 5.25 V. -Se calcula la corriente máxima: Imax = 5.25V / (1000*(7.15+3.3)) = 0.5mA Potencia en R1 (Imax) = Potencia en R2 (Imax) = Como se puede ver no se supera en ningún caso la potencias nominales de las resistencias.
23.Vista de las doce resistencias (6 divisores de tensión) para adaptar tensiones
-Filtro de medida de corriente: otro detalle a tener en cuenta es que a la salida del transductor de corriente se ha colocado un filtro paso bajo con el fin de eliminar el ruido de la señal y evitar el efecto de aliasing presente en todo sistema de conversión digital para así mejorar en gran medida la lectura de esta entrada analógica por la placa arduino. Este filtro es de primer orden y consta de los siguientes componentes:
Una resistencia de 10kΩ Un condensador de 470nF
La frecuencia de corte de este filtro es:
24
24.Filtro paso bajo a la salido del transductor
-Pines de faltas: otra característica del chip de potencia es que posee dos pines de salida cuyo fin es informar de la existencia de faltas por sobrecorriente o por sobretemperatura. Estos pines en la placa se encuentran conectados directamente a dos pines de entrada de tipo digital del arduino. -Tierra comunes con arduino: un detalle que se ha tenido en cuenta en la placa es el de crear dos capas de tensiones de tierra con el fin de que los diferentes componentes puedan acceder a dicha tensión de referencia y facilitar el conexionado. A estas capas de tensión de referencia también denominadas “tierra” o GND se han conectado los pines
correspondientes a los pines de tierra de la placa arduino con el fin de igualar las tensiones entre todos los componentes tanto de la placa como del arduino.
25.Vista de una pista junto con la pista de tierra conectada a los pines GND
25
-Pines arduino disponibles: por último, la denominación de placa “shield” consiste en que dicha placa añada una funcionalidad a la placa arduino pero permitiéndole aun funcionar con otros fines, por esta razón en las conexiones entre pines de la placa y arduino los conectores que se han elegido son macho-hembra con la finalidad no solo de conectar sino también de mantener disponibles y accesibles los pines que no se encuentren ocupados por el uso exclusivo de esta placa.
26. Conector pines macho-hembra
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Características y componentes de la placa Shield En primer lugar se va a presentar una lista de los componentes que forman la placa: Componente
Etiqueta
Borne de potencia 24A – 320V - 3 vías Borne de potencia 24A – 320V - 2 vías Texas Instruments DRV8332 Regulador conmutación RECOM 972Vin -5Vout - 0.5A Regulador conmutación RECOM 1772Vin-12Vout-0.5A Transductor de corriente 15A - LEM LTS-15NP Condensador electrolítico 820µF, +20%, 50V Resistencia 20kΩ , 1% Resistencia 3.3Ω , 1%
Condensador cerámico multicapa 10nF, ±5% Resistencia SMD 1206 10kΩ 0.25W
Unidades
TERMINAL_3VIAS
Referencia (RS-online) 467-0366
TERMINAL_2VIAS
467-0350
1
DRV8332 DC_DC_CONVERTER _SIP3 DC_DC_CONVERTER _SIP3 LEM_LTS_15_NP
738-5452 416-862
1 1
416-868
1
499-5362
1
C18_C19
526-1755
2
R7 R8 C20
699-5147
1 1 1
R3
740-9110
1
679-1897 669-8515
1 1
1
5% Condensador 10% Condensador 10% Condensador 10% Condensador 10%
SMD 1206 100nF 25V
R4 C5
SMD 1206 470nF 16V
C7
669-8467
1
SMD 1206 1µF 50V
C8, C9, C10, C11
740-7593
4
SMD 1206 100nF 50V
C12, C13, C14, C15, C16, C17
669-8408
6
Resistencia
SMD
7.15KΩ
B1-B6
701-5591
6
Resistencia SMD 402 3.3KΩ 0.063W
A1-A6
701-4974
6
-
-
7 5
Resistencia SMD 1206 1Ω 0.25W 1%
402
0.063W 0.1% 0.1% 6 pin Female/Male header strips 8 pin Female/Male header strips
27. Lista de componentes en la placa
27
28. Plano general de la placa
A continuación se va a comentar cada componente y su funcionalidad: -Borne de potencia 3 vías: es un componente terminal de la placa que sirve para conectarla a las tres fases del motor. Este se encuentra dimensionado en sus características de manera que la corriente que soporta es mayor que la corriente máxima de motor para la que se encuentra preparada la placa. Esta corriente es 24 amperios estando la placa diseñada para una corriente permanente de 8 amperios y una temporal de hasta 13 amperios, determinados por el chip de conmutación. A nivel de tensión también se encuentra dimensionado a 320V, siendo el nivel de tensión mucho mayor que con el que va a funcionar normalmente que es 50V. -Borne de potencia 2 vías: este componente es similar al anterior, con la diferencia de que posee una conexión menos, dos en vez de tres. Este conector sirve para conectar la placa a la alimentación, que servirá para hacer funcionar tanto el motor como la placa y el arduino. -Texas Instruments DRV8332: este es el componente principal y más importante de la placa. Es un chip que permite la conmutación entre las fases de potencia del motor y la alimentación. Este se basa en transistores de tipo MOSFET. Posee una eficiencia de hasta un 97%. El voltaje de funcionamiento permanente es 50V, mientras que de forma dinámica admite hasta 70V. Respecto a la corriente puede funcionar hasta 8 amperios y 13 amperios de pico. Este chip permite operar las tres fases de forma independiente, con una frecuencia de conmutación de hasta 500 kHz. La tensión requerida para su control y alimentación es 12V, independientes de la parte de potencia. Este chip requiere un conjunto de resistencias y condensadores en determinados pines, tal y como especifica el fabricante para su 28
correcto funcionamiento. Las principales funciones de estos componentes externos es estabilizar las señales tanto las de potencia como las de control.
29.Texas Instruments DRV8332
-Regulador conmutación 9-72Vin -5Vout: este regulador funciona como un transformador de corriente continua, con la característica de que presenta un alto rendimiento debido a sus características y funcionamiento interno. La función del mismo es la de transformar la tensión de alimentación, que se encuentre en un rango entre 9 y 72V(limitados por el otro regulador que posee como mínima 17V) a 5(dc) voltios fijos y estables (2% de precisión) y poder usar estos para alimentar la placa arduino. La eficiencia de este regulador en sus diferentes niveles de funcionamiento se encuentra en un rango entre 81% y 87%.
30.Regulador de conmutación
-Regulador conmutación 17-72Vin-12Vout: este regulador presenta la misma tecnología y funcionamiento que el anterior a diferencia de que el rango de tensiones de entrada es algo menor debido al límite inferior, funcionando desde 17V hasta 72V. Este regulador da lugar a una salida de 12V (dc) fijos (2% de precisión), que se utilizarán para alimentar el chip de conmutación DRV8332.
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-Transductor de corriente 15A - LEM LTS-15NP: este componente se utiliza para medir la corriente que pasa por el motor de forma instantánea. Este posee un rango de medida de hasta 15 A, siendo válido ya que en este caso como máximo tendremos 13 A. Este sensor posee una precisión de un 0.2%. Aunque presenta diferente posibles conexionados para modificar su rango de medida, se ha escogido el rango máximo de 15 A. La tensión de salida del sensor es 2.5V con 0 A, y una variación de ±0.625V máxima (admite ambos sentidos de corriente), por lo que la tensión máxima de salida del sensor 3.125V, tensión válida para su lectura sin problemas tanto en la placa arduino mega (5V máximo) como arduino due (3.3V máximo). La curva de respuesta del sensor es la siguiente, siendo en este caso Ipn=15A:
31.Gráfica de salida del transductor de corriente
32.Transductor de corriente
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Diseño PCB Para el diseño de la placa se ha utilizado el software EAGLE que permite el diseño de placas y diagramas de las mismas. El proceso de diseño en este programa consiste primero en hacer lo que se denomina un “esquemático” que es un diagrama de componentes en
forma de símbolos representativos (cada componente con sus respectivos pines de entradas y salidas) y sus conexiones entre ellos de forma que el programa sabe que pines se encuentran conectados y se puede apreciar el esquema de una forma muy visual. Una vez realizado el diseño del esquemático se procede al diseño de la placa tal y como va a ser en la realidad una vez fabricada. Para esto lo primero que se define es la superficie (dimensiones y forma) sobre la que se diseñara y se colocarán los componentes y pistas. Una vez definido esto el programa presenta agrupados el conjunto de componentes que iremos posicionando sobre la placa tal como queramos. Posteriormente debemos dibujar las pistas para así conectar los componentes. En este paso es donde entra la utilidad del desarrollo previo del esquemático ya que el programa nos va diciendo que tenemos que ir uniendo aunque nosotros decidamos finalmente por donde irán las pistas y que forma tendrán. Un detalle importante es que se definió para el caso de esta placa dos capas, una superior y otra inferior, esto nos permite llevar pistas por ambas es incluso una misma pista pasar de una capa a otra en un determinado punto si fuese necesario. Por último una vez conectados todos los componentes se crea una tierra común a todos los componentes en ambas capas con el fin de disminuir la cantidad de pistas y unir eléctricamente los diferentes componentes. Para esto existe una herramienta que lo que hace es rellenar la superficie que queda con esta nueva pista. A continuación se va mostrar diferentes imágenes del diseño de la placa:
33.Placa completa con todas las capas
31
34.Vista de la placa con las pistas de la capa inferior
35.Vista de la placa con las pistas de la capa superior
36.Vista de la placa con todas las pistas ocultando los planos de tierra
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37. Vista de la placa con pistas superiores ocultando los planos de tierra
38.Vista de la placa con pistas inferiores ocultando los planos de tierra
39.Vista de la placa solo con los componentes ocultando todas las pistas
33
40.Vista en detalle del chip de potencia con sus respectivos componentes requeridos (SMD)
41.Vista en detalle de los reguladores de tensión (RECOM), chip de potencia
42.Vista en detalle de resistencias para adaptar tensiones de control
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Fabricación de la placa Para llevar a cabo la fabricación de la placa se ha tenido que encargar a un fabricante. Para ello es necesario exportar los ficheros del proyecto en un formato concreto desde EAGLE. Como detalles importantes para encargar la placa al fabricante se destacan los test previos en el programa de diseño, que permiten comprobar en primer lugar que el diseño cumpla con el diseño desarrollado en el plano esquemático de la placa y por la parte de la placa que no existan conexiones erróneas o cortocircuitos, que se respeten las distancias mínimas entre pistas y entre componentes, que no se solapen pistas. Además de estos tests dentro de EAGLE, al encargar la placa al fabricante, este tiene su propio software de comprobación, que permite ver si la placa se puede fabricar y si las conexiones están bien efectuadas y eléctricamente es correcto el diseño. Tras realizar todos los tests se verifica que el diseño de la placa se ha realizado correctamente. Lo que se ha verificado es que la placa puede fabricarse, que las dimensiones demandadas de pistas y conexiones son posibles de fabricar y correctas, que se respetan las distancias mínimas exigidas y que el diseño es coherente con el diseño esquemático planteado en el inicio del diseño.
43. Vista final de la placa y sus dimensiones en el softw are del fabricante
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44. Índice de cobre basado en su distribución y densidad en capas exteriores
La superficie de la placa, factor determinante en el precio es de 0.54 . Como se aprecia, el fabricante determina que el índice de cobre se encuentra en un valor normal.
45.Tabla resultado de los tests
Como se aprecia en la imagen 33, los valores de diseño de la placa son correctos, y todos respetan los límites de diseño establecidos por el fabricante.
36
A continuación se presentan unas imágenes de la placa resultante:
46. Vista superior de la placa
47. Vista inferior de la placa
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38
Capítulo 4: Software de control
Objetivo El objetivo del desarrollo de este programa para arduino es el control de par de un motor brushless mediante la placa de potencia previamente expuesta. El lenguaje de programación utilizado ha sido “C”, que es el que se utiliza en el entorno de
desarrollo de arduino. Este programa permite controlar el par que entrega el motor de forma precisa y suave. Este incorpora un control PID y configuración concreta de frecuencia de conmutación del PWM con el fin de reducir vibraciones y ruidos indeseados en el motor. Por lo tanto, las funciones que este control realiza son:
Lectura de señales externas (entradas) como son la medida de corriente que pasa por el motor, los tres sensores de efecto Hall del motor, mando de par deseado (control externo). Escritura de señales (salidas) como son las tres señales PWM_X y las tres RESET_X. Conmutación de las fases en función de la posición del rotor Generar señales PWM en las fases con el fin de poder dar valores de par concretos. Generar señales PWM con una frecuencia de conmutación suficiente para el correcto funcionamiento del motor. Control de faltas por calentamiento o sobrecorriente. Dar el par deseado en cada momento de la forma más rápida y con menor error posible. Ser el programa lo suficientemente rápido como para conmutar las fases al mismo tiempo que controlar el ciclo de trabajo deseado en cada instante.
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Detalles del programa y su funcionamiento ENTRADAS Sensor de corriente – Analógica Sensor de efecto Hall #1 – Digital Sensor de efecto Hall #2 – Digital Sensor de efecto Hall #3 – Digital Control externo físico – Analógica
SALIDAS PMW_A – Pwm PWM_B – Pwm PWM_C –Pwm RESET_A – Digital RESET_B – Digital RESET_C - Digital
-PID de mando: este control dentro del programa se encarga de generar el factor de servicio del PWM para ajustar el valor de corriente. La señal de referencia del control proviene de un control físico, conectado a la placa que da el valor de par deseado dentro de un rango. Este valor se lee en el programa y se toma como valor de consigna para el control. Otro valor de entrada es el valor de la corriente que pasa por el motor en cada momento, que mide el transductor de corriente. Este valor se utiliza ya que el valor de la corriente en este tipo de motores es directamente proporcional al par entregado por el motor. Por último este control mediante estos dos valores de entrada calcula de manera repetida de forma constante el valor de salida, esto es, el factor de servicio del PWM_X ajustando un valor de tensión en la salida. Es importante mencionar que para que el PID funcione correctamente hay que configurarlo asignando valores a tres parámetros que utiliza, siendo estos parámetros los siguientes: Kp (acción proporcional), Ki (acción integral), Kd (acción derivativa). Estos parámetros dependen de las características del motor que se utilice. -Conmutación: el programa se encarga de conmutar la alimentación de las fases en función de la posición del rotor, que se conoce gracias a los sensores de efecto Hall, cuyos valores se leen de forma repetida y cuando uno de ellos varia su valor se recalcula la posición del rotor y se recalculan las fases que han de ser alimentadas.
48. Tabla de conmutación de giro en sentido de las agujas del reloj
40
-PWM: un problema de la placa arduino es que la frecuencia de PWM por defecto es 500Hz, siendo esta frecuencia insuficiente para esta aplicación debido a la velocidad de giro del motor. Por esta razón ha sido necesario aumentar a 20kHz la frecuencia de conmutación de los pines 4,6 y 13. Para variar dicha frecuencia se ha hecho uso de una librería externa de arduino llamada “PWMC.h”. Esta librería permite no solo cambiar la
frecuencia a un valor deseado sino que también permite escoger la resolución del valor de ciclo de carga, lo que nos permitirá dar un mando de par mucho más exacto cuanto mayor sea este último valor. -Protecciones: al proporcionarnos el chip de potencia información sobre fallos en el mismo por sobretemperatura y sobrecorriente, se han utilizado estos datos (son entradas digitales en los pines 8 y 9) para hacer que el programa reaccione cuando haya faltas. En el pin 8 se tiene la señal llamada “FAULT” y en pin 8 se tiene “OTW”. “FAULT” señala que el chip se ha
apagado debido a sobretemperatura, sobrecorriente o problema en la protección por subtensión. La señal “OTW” indica que se ha superado la temperatura de 125 grados centígrados. Por un lado cuando ocurre una falta y se activa “FAULT”, el programa se detiene en su
ejecución con el fin de evitar poder dañar el chip. Por otro lado “OTW” es monitorizado continuamente con el fin de que en caso este se encuentre activo, reducir por seguridad el ciclo de trabajo del motor aunque el usuario este demandando más par. El valor de seguridad que se ha decidido establecer en caso de estar “OTW” activo es un ciclo de trabajo máximo del 25%. Este valor podrá modificarse en el
programa. -Interrupciones: ha sido necesario el uso de interrupciones en el programa con el fin de que este funcione lo mejor posible y obtener el máximo rendimiento de la frecuencia del microprocesador del arduino. La interrupciones son una subrutina de la placa arduino (en realidad son propias del microprocesador) generadas por los dispositivos físicos, al contrario de las subrutinas normales de un programa en ejecución. Estas permiten ejecutar una parte concreta del código fuente como consecuencia de un evento externo, que en este caso es el cambio de valor de una entrada digital (tanto subida como bajada de estado de un pin concreto). Las interrupciones nos permiten tener un funcionamiento continuo y rápido del programa principal (resto de procesos) y al mismo tiempo estar pendiente pero sin perder velocidad de proceso de que el motor gire y cambie de posición. Cuando se produce un cambio de posición del rotor (esto es, cambio el valor de uno de los sensores Hall), el programa principal detiene su ejecución para cambiar la conmutación de las fases alimentadas en el motor al recalcular la posición del rotor. Esto se realiza mediante interrupciones debido a que la rutina de conmutación debe tener una ejecución inmediata ya que al girar el motor a gran velocidad, los tiempos de retraso son críticos. Para realizar
41
las interrupciones en el programa, se ha utilizado la librería de interrupciones propia del entorno de desarrollo de arduino.
42
Capítulo 5: Futuros desarrollos y conclusión Dada la amplitud de este proyecto se puede afirmar que se han cumplidos los objetivos principales establecidos a su comienzo. Por problemas de tiempo y en las pruebas en laboratorio no ha sido finalmente posible terminarlo completamente. Concretamente todo el diseño y desarrollo de hardware y software ha sido completamente concluido, a excepción de probar el funcionamiento del controlador y someterlo a ensayos y pruebas. También cabe destacar la variedad de áreas de conocimiento que convergen en este proyecto, tales como máquinas eléctricas, accionamientos eléctricos, electrónica de control y potencia, programación, diseño de hardware, mecánica y control. Gracias a esto este proyecto ha sido muy enriquecedor en el que se ha podido aprender mucho y resolver muchos problemas que han ido surgiendo a lo largo de su desarrollo. Este proyecto aunque haya casi concluido con sus objetivos iniciales, da lugar a gran cantidad de posibles nuevas funciones y mejoras en el funcionamiento y diseño del controlador. Dicho esto se expresan a continuación varias ideas para ser desarrolladas próximamente en otro proyecto:
Hacer la placa compatible con un microcontrolador PIC. Funciones de bluetooth en la placa para control inalámbrico y transmisión de datos. Freno regenerativo. Sistema de frenado ABS.
Sistema de aceleración dinámica “turbo”.
Revisiones, pruebas y ensayos de funcionamiento. Fabricación en masa. Creación de modelo de negocio para su comercialización. Creación de servicio de venta y distribución del producto.
43
44
Capítulo 6: Bibliografía [1. TEXA10]
Texas Instruments Incorporated. Three Phase PWM Motor Driver,2010
[2. PADM03]
Yedamale, Padmaraja. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals , 2003
[3. FIDE13]
Fernández Bernal, Fidel. Control de máquinas DC y DC brushless, 2013
[4. ATME06]
Atmel
Corporation. Microcontrollers, 2006
[5. ATME14]
Atmel Corpotation. Atmel ATmega 640/V-1280/V-1281/V-2560/V2561/V, 2014
[6. TARJ13]
ICAI. Motores Brushless DC v3.5 (TCM BRUSHLESS DC), 2013
[7. PCBD04]
L. Jones, David. PCB Design Tutorial, 2004
[8. BLDC14]
NMB Technologies. Brushless DC Motor Introduction, 2014
[9. MOTO14]
E-Radiocontrol. ¿Qué es un motor brushless?, 2014
ATMEL
AT91
ARM
Thumb-based
45
46
Parte II: Codigo Fuente
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#include "pwmc1.h" //Libreria PWM #include
//Libreria PID
//Lectura de sensores Hall para interrupciones int h1; //Sensor #1 int h2; //Sensor #2 int h3; //Sensor #3 int error = 0; //Determina la existencia de faltas y se
//inicializa en estado sin falta double maximo_par = 1; //Coeficiente de par máximo admisible int HallVal = 5; //Valor de inicialización de la variable
//de estado de los sensores efecto Hall //Crea regulador PID para control de par double Setpoint, Input, Output; PID set_current(&Input, &Output, &Setpoint,2,5,1, DIRECT);
//Los tres valores que se definen son respectivamente: Kp=2, Ki=5, Kd=1 //Setpoint: es la consigna del PID //Input: es la medida que recibe, en este caso de corriente //Output: es el mando resultante del control void setup() { //Inicialización del programa
//Configuración frecuencia PWM: uint32_t
pwm_duty = 0; // Inicializo la variable (rango = {0,255})
uint32_t
pwm_freq1 = 20000; //Defino la frecuencia PWM = 20kHz
pwm_set_resolution(10); // Tomo una resolución del valor duty cycle de
1023(2^10) valores pwm_setup( 4, pwm_freq1, 1);
// Pin 4 freq set to "pwm_freq1" on clock
A
//Sirve para establecer en el pin 6 la frecuencia de pwm pwm_setup( 6, pwm_freq1, 1);
// Pin 6 freq set to "pwm_freq1" on clock
A //Sirve para establecer en el pin 6 la frecuencia de pwm
48
pwm_setup( 13, pwm_freq1, 1 );
// Pin 13 freq set to "pwm_freq1" on
clock A //Sirve para establecer en el pin 6 la frecuencia de pwm //ejemplo de uso de libreria pwm //Para comenzar PWM : cycle on Pin 6 //Para parar PWM :
//pwm_write_duty( 6, pwm_duty=128 );
// 50% duty
//pwm_stop( 6 );
//fin del ejemplo //Set PINS pinMode(21,INPUT);
// Hall 1
pinMode(20,INPUT);
// Hall 2
pinMode(19,INPUT);
// Hall 3
pinMode(8,INPUT);
// Fault chip potencia
pinMode(9,INPUT);
// Sobretemperatura chip potencia
pinMode(A2,INPUT);
// Valor corriente medida transductor
pinMode(A10,INPUT);
// Potenciometro de par // PWM_A Los pines escogidos para PWM_X son
pinMode(4,OUTPUT);
verdaderos PWM //
desde
los
que
conmuto
a
la
frecuencia
configurada. pinMode(6,OUTPUT); pinMode(13,OUTPUT); pinMode(5,OUTPUT);
// PWM_B // PWM_C // RESET_A
pinMode(11,OUTPUT);
// RESET_B
pinMode(12,OUTPUT);
// RESET_C
//Interrupciones en las que se indica que al cambiar el //valor de uno de los sensores Hall del motor llama a la //función "rotar" para conmutar las fases
//Esta parte del código depende del tipo de placa:
49
//Arduino Due : attachInterrupt(pin, function, mode)
//
attachInterrupt(21,rotar, CHANGE);
//
attachInterrupt(20,rotar, CHANGE);
//
attachInterrupt(19,rotar, CHANGE);
//Arduino Mega : attachInterrupt(interrupt, function, mode)
//
attachInterrupt(2,rotar, CHANGE);
//
attachInterrupt(3,rotar, CHANGE);
//
attachInterrupt(4,rotar, CHANGE);
//Las interrupciones 2,3,4 corresponden //a los pines 21,20 y 19 respectivamente. //Fin interrupciones
//PID Input = analogRead(A2); //Pin 2 analógico Setpoint = analogRead(A10); myPID.SetMode(AUTOMATIC); //Enciende el control
//--PID } void loop() { while(error==0){ //Bucle funcionamiento normal
//Lee el potenciometro y ajusta mediante el PID el ciclo de trabajo Input = analogRead(A2); //Valor de 0 a 1023, Input = maximo_par * analogRead(A2);
Setpoint = analogRead(A10); //Valor de 0 a 1023, teniendo en cuenta
50
//que la tensión máxima es de 3.125V //Se mapea el valor máximo del sensor con el valor de referencia //de lectura analógica - (Descomentar según placa):
//Arduino Due: //Setpoint = Setpoint*0.947
//Arduino Mega: //Setpoint = Setpoint*0.625
myPID.Compute(); pwm_duty = Output; //El duty cycle es igual al mando resultante
//del PID, valor de 0 a 1023
switch (HallVal)//Según la posición del rotor
//se alimenta la fase necesaria en cada
{
//momento con el valor de duty cycle //actualizándose constantemente case 5: pwm_write_duty( 4, pwm_duty ); case 1: pwm_write_duty( 4, pwm_duty ); case 3: pwm_write_duty( 6, pwm_duty ); case 2: pwm_write_duty( 6, pwm_duty ); case 6: pwm_write_duty( 13, pwm_duty ); case 4: pwm_write_duty( 13, pwm_duty );
51
}
if (!digitalRead(8)) // Si el pin FAULT está en ESTADO BAJO
// entra en rutina de error
{ error==1; }
if (!digitalRead(9)) // Si el pin OTW(temperatura) está en ESTADO BAJO
// se limita la carga máxima
{
maximo_par==0.25;// Se establece como par máximo el 25% hasta que
disminuya }else{
//la temperatura del chip de potencia.
maximo_par==1; } }
while(error==1){ //Bucle estado de falta if (digitalRead(8)) // Si el pin FAULT está en ESTADO ALTO
// entra en rutina de funcionamiento normal
{ error==0;
digitalWrite(13, HIGH);//Parpadea el led integrado en la placa delay(1000);
//en caso de estar en falta
digitalWrite(13, LOW); delay(1000); } }
}
void rotar() {
//Conmuta la alimentación de fases
52
h1 = digitalRead(21); h2
= digitalRead(20);
h3
= digitalRead(19);
HallVal = (h1) + (2*h2) + (4*h3); //Cálculo el valor de la
//posición del rotor
switch (HallVal) { case 5: pwm_write_duty( 4, pwm_duty ); pwm_write_duty( 6, 0 ); pwm_write_duty( 13, 0 );
digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, LOW); break;
case 1: pwm_write_duty( 4, pwm_duty ); pwm_write_duty( 6, 0 ); pwm_write_duty( 13, 0 );
digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); break;
case 3: pwm_write_duty( 4, 0 );
53
pwm_write_duty( 6, pwm_duty ); pwm_write_duty( 13, 0 );
digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, HIGH); break;
case 2: pwm_write_duty( 4, 0 ); pwm_write_duty( 6, pwm_duty ); pwm_write_duty( 13, 0 );
digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, LOW); break;
case 6: pwm_write_duty( 4, 0 ); pwm_write_duty( 6, 0 ); pwm_write_duty( 13, pwm_duty );
digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); break;
case 4: pwm_write_duty( 4, 0 );
54
pwm_write_duty( 6, 0 ); pwm_write_duty( 13, pwm_duty );
digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, HIGH); break; }
}
55
56
Parte III: proyecto
Estudio
economico
del
57
En esta parte se estudiarán los costes de fabricación de la placa completa (incluyendo los componentes) en las fases de prototipo y de fabricación en serie. Además una vez calculados los costes en dichas situaciones, se realizará un estudio de mercado de placas similares en cuanto a prestaciones y componentes y con ello, definir un precio de venta de esta placa para hacerla lo más competitiva posible en el mercado. A continuación se presenta la tabla de componentes con sus respectivos precios en función de las cantidades que se demanden:
58
Precio de 1 a 5 unidades por
467-0366
1
1,59
467-0350
1
738-5452
Precio a partir de 1000 unidades
Precio total 1
Precio total 1000
placa [€]
placas [€]
1,242
1,59
1,242
1,368
1,078
1,368
1,078
1
10,22
7,85
10,22
7,85
416-862
1
11,48
8,7
11,48
8,7
416-868
1
12,14
9,2
12,14
9,2
499-5362
1
14,11
12,42
14,11
12,42
526-1755
2
1,82
1,462
3,64
2,924
Resistencia 20kΩ , 1%
-
1
0,039
0,029
0,039
0,029
Resistencia 3.3Ω , 1%
-
1
0,048
0,036
0,048
0,036
699-5147
1
1,096
0,996
1,096
0,996
740-9110
1
0,015
0,012
0,015
0,012
679-1897
1
0,044
0,034
0,044
0,034
669-8515
1
0,058
0,046
0,058
0,046
669-8467
1
0,092
0,078
0,092
0,078
740-7593
4
0,079
0,063
0,316
0,252
669-8408
6
0,066
0,06
0,396
0,36
701-5591
6
0,366
0,229
2,196
1,374
701-4974
6
0,375
0,297
2,25
1,782
-
7
0,5
0,5
3,5
3,5
-
5
0,5
0,5
2,5
2,5
67,10 €
54,41 € 54.413,00
67,10 €
€
Referencia
Componente Borne de potencia 24A – 320V - 3 vías Borne de potencia 24A – 320V - 2 vías Texas Instruments DRV8332 Regulador conmutación RECOM 9-72Vin -5Vout 0.5A Regulador conmutación RECOM 17-72Vin-12Vout0.5A Transductor de corriente 15A - LEM LTS-15NP Condensador electrolítico 820µF, +-20%, 50V
Condensador cerámico multicapa 10nF, ±5% Resistencia SMD 1206 10kΩ 0.25W 5% Resistencia SMD 1206 1Ω
0.25W 1% Condensador SMD 100nF 25V 10% Condensador SMD 470nF 16V 10% Condensador SMD 1µF 50V 10% Condensador SMD 100nF 50V 10% Resistencia SMD
Unidades por placa
1206 1206 1206 1206 402
7.15KΩ 0.063W 0.1% Resistencia SMD 402 3.3KΩ
0.063W 0.1% 6 pin Female/Male header strips 8 pin Female/Male header strips
unidad €
Total /placa Total 49.*Precios de RS Componentes
59
Costes de fabricación del prototipo Para calcular el coste total, se deben tener en cuenta que hay que incluir en el mismo, el coste de los componentes integrados en la placa, el coste de fabricación de la placa y el coste de soldadura de algunos componentes. Como se ha calculado previamente en la tabla de costes de componentes para una placa, habiendo fabricado una única placa, el precio es de: 67,10€. En segundo lugar el coste de fabricación de la placa se ha obtenido de la factura del fabricante, siendo este: 1 Placa Transporte Impuestos (21%) Total
Precio € 38,21 € 9,91 € 10,10 € 58,22 €
Y por último el precio por ensamblar determinados componentes es de: 65€. Finalmente se obtiene un precio total de fabricación de la placa de: 190,32€.
Costes de fabricación en masa (más de 1000 unidades) En este caso los precios cambian ya que se supone que se realiza un pedido para fabricar 1000 placas. Como se ha calculado previamente en la tabla de costes de componentes, para fabricar 1000 placas el precio es de 54,41€ por cada placa. En segundo lugar el coste de fabricación de la placa se ha obtenido de la factura del fabricante, siendo este para una cantidad de 1000, teniendo en cuenta que en este caso se utiliza un sistema de fabricación en India que permite disminuir los costes: Precio por placa Precio total placas Transporte Impuestos (21%) Total por placa Total
Precio € 0,93 € 933,20 € 33,02 € 202,7 € 1,17 € 1167,92 €
Y por último el precio por ensamblar determinados componentes es de: 65€. Finalmente se obtiene un precio total de fabricación de la placa de 120,58€. 60
Parte IV: Anexos
61
62
Planos
63
64
RECOM
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
R7_R8
P N 5 1 S T L M E L
RECOM Vout GND Vin
5V GND OUT
1 : 1 A L A C S E A R R E I T E D S O N A L P N O C A C A L P
+ 9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
RECOM
2
1
GND
+
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L 5V GND OUT
R7_R8
+ 9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
GND
+
1 : 2 A L A C S E A C A L P A L E D L A R E N E G A T S I V
RECOM
Vout GND Vin
R7_R8
C20
P N 5 1 S T L M E L
8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
1 : 2 A L A C S E A C A L P A L E D L A R E N E G A T S I V
+ 9 1 C 8 1 C
5V GND OUT
9 1 C 8 1 C
3
2
+
GND
1
RECOM
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L 5V GND OUT
R7_R8
+ 9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
GND
+
1 : 2 A L A C S E S E R O I R E P U S S A T S I P E D A T S I V
RECOM
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L
R7_R8
+ 9 1 C 8 1 C
5V GND OUT
9 1 C 8 1 C
3
2
1
RECOM Vout GND Vin
GND
+
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L
R7_R8
9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
1 : 2 A L A C S E S E R O I R E P U S S A T S I P E D A T S I V
1 : 2 A L A C S E S E R O I R E F N I S A T S I P E D A T S I V
RECOM
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L
R7_R8
9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
RECOM Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L
R7_R8
9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
1 : 2 A L A C S E S E R O I R E F N I S A T S I P E D A T S I V
1 : 2 A L A C S E S E T N E N O P M O C S O L E D A T S I V
RECOM
Vout GND Vin
C20 8 R _ 7 R
RECOM Vout GND Vin
P N 5 1 S T L M E L
R7_R8
9 1 C 8 1 C
9 1 C 8 1 C
3
2
1
1 : 2 A L A C S E S E T N E N O P M O C S O L E D A T S I V
D R V8 31 2 D R V8 33 2 SLES256C – MAY 2010– REVISED OCTOBER 2013
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T h r e e P h a s e P W M M o to r D r iv er Check for Samples: DRV8312 DRV8312,, DRV8332 1
FEATURES
•
High-Efficiency High-Efficiency Power Power Stage Stage (up to 97%) 97%) with Low RDS(on) MOSFETs (80 m Ω at TJ = 25°C)
•
Operating Operating Supply Supply Voltage Voltage up to 50 50 V (70 V Absolute Maximum)
•
DRV8 DRV831 312 2 (power (power pad pad down): up to 3.5 3.5 A Continuous Phase Phase Current (6.5 (6.5 A Peak)
•
DRV8 DRV833 332 2 (power (power pad pad up): up to 8 A Continuous Phase Phase Current ( 13 A Peak) Peak)
•
Independe Independent nt Control Control of Three Three Phases Phases
•
PWM PWM Opera Operating ting Freque Frequency ncy up to 500 500 kHz kHz
•
Integrate Integrated d Self-P Self-Protect rotection ion Circuits Circuits Including Including Undervoltage, Overtemperature, Overload, and Short Circuit
•
Programma Programmable ble CycleCycle-by-C by-Cycle ycle Current Current Limit Limit Protection
•
Independe Independent nt Supply Supply and and Ground Ground Pins Pins for Each Each Half Bridge
•
Intellige Intelligent nt Gate Gate Drive and Cross Cross Conduction Conduction Prevention
•
No External External Snubber Snubber or Schottky Schottky Diode Diode is Required
Because of the low RDS(on) of the power power MOSFET MOSFETs s and intelli intelligen gentt gate gate drive drive design design,, the effici efficienc ency y of these motor drivers can be up to 97%, which enables the use of smaller power supplies and heatsinks, and are good candidates for energy efficient applications. The DRV8312/32 require two power supplies, one at 12 V for GV GVDD DD and VDD, VDD, and anothe anotherr up to 50 V for PVDD. PV DD. The DRV83 DRV8312/ 12/32 32 can operat operate e at up to 500500kHz switching frequency frequency while still maintain maintain precise precise cont contro roll and and high high effi effici cien ency cy.. They They also also have have an innovative protection system safeguarding the device agains againstt a wide wide range range of fault fault condit condition ions s that that could could damage damage the system system.. These These safegu safeguard ards s are shortshortcircuit protection, overcurrent protection, undervoltage protec protectio tion, n, and two-s two-stag tage e therm thermal al protec protectio tion. n. The DRV8 DRV831 312/ 2/32 32 have have a curr curren entt-lim limit itin ing g circu circuit it that that prevents prevents device shutdown shutdown during load transients such as moto motorr star startt-up up.. A prog progra ramm mmab able le over overcu curr rren entt detector detector allows adjustable adjustable current current limit and protection protection level to meet different motor requirements. The DRV831 DRV8312/3 2/32 2 have have unique unique indepen independen dentt supply supply and ground pins for each half bridge, bridge, which makes it possib possible le to provid provide e curren currentt measur measureme ement nt throug through h external shunt resistor and support half bridge drivers with different power supply voltage requirements.
D R V8 31 2 D R V8 33 2 SLES256C – MAY 2010– REVISED OCTOBER 2013
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T h r e e P h a s e P W M M o to r D r iv er Check for Samples: DRV8312 DRV8312,, DRV8332 1
FEATURES
•
High-Efficiency High-Efficiency Power Power Stage Stage (up to 97%) 97%) with Low RDS(on) MOSFETs (80 m Ω at TJ = 25°C)
•
Operating Operating Supply Supply Voltage Voltage up to 50 50 V (70 V Absolute Maximum)
•
DRV8 DRV831 312 2 (power (power pad pad down): up to 3.5 3.5 A Continuous Phase Phase Current (6.5 (6.5 A Peak)
•
DRV8 DRV833 332 2 (power (power pad pad up): up to 8 A Continuous Phase Phase Current ( 13 A Peak) Peak)
•
Independe Independent nt Control Control of Three Three Phases Phases
•
PWM PWM Opera Operating ting Freque Frequency ncy up to 500 500 kHz kHz
•
Integrate Integrated d Self-P Self-Protect rotection ion Circuits Circuits Including Including Undervoltage, Overtemperature, Overload, and Short Circuit
•
Programma Programmable ble CycleCycle-by-C by-Cycle ycle Current Current Limit Limit Protection
•
Independe Independent nt Supply Supply and and Ground Ground Pins Pins for Each Each Half Bridge
•
Intellige Intelligent nt Gate Gate Drive and Cross Cross Conduction Conduction Prevention
•
No External External Snubber Snubber or Schottky Schottky Diode Diode is Required
Because of the low RDS(on) of the power power MOSFET MOSFETs s and intelli intelligen gentt gate gate drive drive design design,, the effici efficienc ency y of these motor drivers can be up to 97%, which enables the use of smaller power supplies and heatsinks, and are good candidates for energy efficient applications. The DRV8312/32 require two power supplies, one at 12 V for GV GVDD DD and VDD, VDD, and anothe anotherr up to 50 V for PVDD. PV DD. The DRV83 DRV8312/ 12/32 32 can operat operate e at up to 500500kHz switching frequency frequency while still maintain maintain precise precise cont contro roll and and high high effi effici cien ency cy.. They They also also have have an innovative protection system safeguarding the device agains againstt a wide wide range range of fault fault condit condition ions s that that could could damage damage the system system.. These These safegu safeguard ards s are shortshortcircuit protection, overcurrent protection, undervoltage protec protectio tion, n, and two-s two-stag tage e therm thermal al protec protectio tion. n. The DRV8 DRV831 312/ 2/32 32 have have a curr curren entt-lim limit itin ing g circu circuit it that that prevents prevents device shutdown shutdown during load transients such as moto motorr star startt-up up.. A prog progra ramm mmab able le over overcu curr rren entt detector detector allows adjustable adjustable current current limit and protection protection level to meet different motor requirements. The DRV831 DRV8312/3 2/32 2 have have unique unique indepen independen dentt supply supply and ground pins for each half bridge, bridge, which makes it possib possible le to provid provide e curren currentt measur measureme ement nt throug through h external shunt resistor and support half bridge drivers with different power supply voltage requirements. Simplified Application Diagram
APPLICATIONS APPL ICATIONS
PVDD
•
BLDC BLDC Motors otors
•
Three Phase Phase Permanent Permanent Magnet Magnet Synchronous Motors
•
Inverte nverters rs
•
Half alf Bridge Bridge Drive Drivers rs
•
Robotic obotic Control ontrol Systems ystems
GVDD GVDD_A
GVDD_B
BST_A
OTW
PVDD_A
FAULT
Controller
PWM_A
OUT_A
RESET_A
GND_A
PWM_B
GND_B
M OUT_B
OC_ADJ GND
PVDD_B BST_B
AGND
DESCRIPTION The DRV831 DRV8312/3 2/32 2 are high high perfor performan mance, ce, integr integrate ated d thr three phas phase e motor otor driv driver ers s with ith an adva advan nced ced protection system.
VREG
NC
M3
NC
M2
GND
M1 PWM_C
GVDD
GND
GND_C
RESET_C
OUT_C
RESET_B
PVDD_C
VDD GVDD_C
BST_C GVDD_C
1
Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications of Texas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet. PRODUCTION DATA information is current as of publication date. Products Products conform to specificati specifications ons per the terms of the Texas Instruments Instruments standard standard warranty. warranty. Productio Production n processing processing does not necessarily include testing of all parameters.
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This integrated circuit can be damaged by ESD. Texas Instruments recommends that all integrated circuits be handled with appropriate precautions. Failure to observe proper handling and installation procedures can cause damage. ESD damage can range from subtle performance degradation to complete device failure. Precision integrated circuits may be more susceptible to damage because very small parametric changes could cause the device not to meet its published specifications.
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS Over operating free-air temperature range unless otherwise noted
(1)
VALUE VDD to GND
–0.3 V to 13.2 V
GVDD_X to GND
–0.3 V to 13.2 V
PVDD_X to GND_X
(2)
–0.3 V to 70 V
OUT_X to GND_X
(2)
–0.3 V to 70 V
BST_X to GND_X
(2)
–0.3 V to 80 V
Transient peak output current (per pin), pulse width limited by internal over-current protection circuit.
16 A
Transient peak output current for latch shut down (per pin)
20 A
VREG to AGND
–0.3 V to 4.2 V
GND_X to GND
–0.3 V to 0.3 V
GND to AGND
–0.3 V to 0.3 V
PWM_X, RESET_X to GND
–0.3 V to 4.2 V
OC_ADJ, M1, M2, M3 to AGND
–0.3 V to 4.2 V
FAULT, OTW to GND
–0.3 V to 7 V
Maximum continuous sink current (FAULT, OTW)
9 mA
Maximum operating junction temperature range, T J
-40°C to 150°C
Storage temperature, T STG
–55°C to 150°C
(1)
(2)
Stresses beyond those listed under Absolute Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only, and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated under Recommended Operating Conditions is not implied. Exposure to absolute-maximum-rated conditions for extended periods may affect device reliability. These voltages represent the dc voltage + peak ac waveform measured at the terminal of the device in all conditions.
RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS MIN
NOM
MAX
UNIT
0
50
52.5
V
PVDD_X
Half bridge X (A, B, or C) DC supply voltage
GVDD_X
Supply for logic regulators and gate-drive circuitry
10.8
12
13.2
V
VDD
Digital regulator supply voltage
10.8
12
13.2
V
IO_PULSE
Pulsed peak current per output pin (could be limited by thermal)
15
A
IO
Continuous current per output pin (DRV8332)
8
A
FSW
PWM switching frequency
500
kHz
ROCP_CBC
OC programming resistor range in cycle-by-cycle current limit modes
22
200
kΩ
ROCP_OCL
OC programming resistor range in OC latching shutdown modes
19
200
kΩ
CBST
Bootstrap capacitor range
33
220
nF
TON_MIN
Minimum PWM pulse duration, low side
T A (1)
2
50
Operating ambient temperature
-40
nS 85
(1)
°C
Depending on power dissipation and heat-sinking, the DRV8312/32 can support ambient temperature in excess of 85°C. Refer to the package heat dissipation ratings table and package power deratings table.
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Product Folder Links: DRV8312 DRV8332
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PACKAGE HEAT DISSIPATION RATINGS PARAMETER
DRV8312
DRV8332
1.1 °C/W
0.9 °C/W
RθJA, junction-to-ambient thermal resistance
25 °C/W
This device is not intended to be used without a heatsink. Therefore, R θJA is not specified. See the Thermal Information section.
Exposed power pad / heat slug area
34 mm2
80 mm2
RθJC, junction-to-case (power pad / heat slug) thermal resistance
PACKAGE POWER DERATINGS (DRV8312) (1) PACKAGE
T A = 25°C POWER RATING
DERATING FACTOR ABOVE T A = 25°C
T A = 70°C POWER RATING
T A = 85°C POWER RATING
T A = 125°C POWER RATING
44-PIN TSSOP (DDW)
5.0 W
40.0 mW/°C
3.2 W
2.6 W
1.0 W
(1)
Based on EVM board layout
MODE SELECTION PINS MODE PINS M3
M2
M1
OUTPUT CONFIGURATION
1
0
0
1 3PH or 3 HB
Three-phase or three half bridges with cycle-by-cycle current limit
1
0
1
1 3PH or 3 HB
Three-phase or three half bridges with OC latching shutdown (no cycle-bycycle current limit)
0
x
x
Reserved
1
1
x
Reserved
DESCRIPTION
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3
Product Folder Links: DRV8312 DRV8332
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DEVICE INFORMATION Pin Assignment Here are the pinouts for the DRV8312/32: • DRV8312: 44-pin TSSOP power pad down DDW package. This package contains a thermal pad that is located on the bottom side of the device for dissipating heat through PCB. • DRV8332: 36-pin PSOP3 DKD package. This package contains a thick heat slug that is located on the top side of the device for dissipating heat through heatsink. DRV8332 DKD Package (Top View)
DRV8312 DDW Package (Top View) GVDD_C
1
44
GVDD_C
VDD NC
2
43
BST_C
3
42
NC PWM_C
4
41
5
40
NC PVDD_C PVDD_C
GVDD_B
1
36
GVDD_A
OTW
2
35
BST_A
FAULT
3
34
PVDD_A
4
33
OUT_A
RESET_C RESET_B
6
39
OUT_C
PWM_A
7
38
GND_C
RESET_A
5
32
GND_A
M1
8
37
GND
6
31
GND_B
M2
9
36
GND
PWM_B
M3 VREG
10
35
OC_ADJ
7
30
OUT_B
11
34
NC NC
GND
8
29
PVDD_B
AGND
12
33
AGND
9
28
GND OC_ADJ PWM_B
13
32
VREG
10
27
NC
M3
11
26
NC
RESET_A PWM_A
M2
12
25
GND
M1
13
24
GND
BST_B PVDD_B
14
31
15
30
OUT_B GND_B
16
29
GND_A
17
28 27
OUT_A PVDD_A
19
BST_B
FAULT NC NC
18
26
PVDD_A
RESET_B
14
23
GND_C
20
25
RESET_C
15
22
OUT_C
OTW GVDD_B
21
24
NC BST_A
PWM_C
16
21
PVDD_C
VDD
17
20
BST_C
GVDD_C
18
19
GVDD_C
22
23
GVDD_A
Pin Functions PIN
(1) 4
FUNCTION
(1)
DESCRIPTION
NAME
DRV8312
DRV8332
AGND
12
9
P
Analog ground
BST_A
24
35
P
High side bootstrap supply (BST), external capacitor to OUT_A required
BST_B
33
28
P
High side bootstrap supply (BST), external capacitor to OUT_B required
BST_C
43
20
P
High side bootstrap supply (BST), external capacitor to OUT_C required
GND
13, 36, 37
8
P
Ground
GND_A
29
32
P
Power ground for half-bridge A requires close decoupling capacitor to ground
GND_B
30
31
P
Power ground for half-bridge B requires close decoupling capacitor to ground
GND_C
38
23
P
Power ground for half-bridge C requires close decoupling capacitor to ground
GVDD_A
23
36
P
Gate-drive voltage supply
GVDD_B
22
1
P
Gate-drive voltage supply
GVDD_C
1, 44
18, 19
P
Gate-drive voltage supply
M1
8
13
I
Mode selection pin
M2
9
12
I
Mode selection pin
M3
10
11
I
Reserved mode selection pin, VREG connection is recommended
NC
3,4,19,20,25,34,35 ,42
26,27
-
No connection pin. Ground connection is recommended
OC_ADJ
14
7
O
Analog overcurrent programming pin, requires resistor to AGND
I = input, O = output, P = power, T = thermal Submit Documentation Feedback
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PIN
FUNCTION
(1)
DESCRIPTION
NAME
DRV8312
DRV8332
OTW
21
2
O
Overtemperature warning signal, open-drain, active-low. An internal pull-up resistor to VREG (3.3 V) is provided on output. Level compliance for 5-V logic can be obtained by adding external pull-up resistor to 5 V
OUT_A
28
33
O
Output, half-bridge A
OUT_B
31
30
O
Output, half-bridge B
OUT_C
39
22
O
Output, half-bridge C
PVDD_A
26,27
34
P
Power supply input for half-bridge A requires close decoupling capacitor to ground.
PVDD_B
32
29
P
Power supply input for half-bridge B requires close decoupling capacitor to gound.
PVDD_C
40,41
21
P
Power supply input for half-bridge C requires close decoupling capacitor to ground.
PWM_A
17
4
I
Input signal for half-bridge A
PWM_B
15
6
I
Input signal for half-bridge B
PWM_C
5
16
I
Input signal for half-bridge C
RESET_A
16
5
I
Reset signal for half-bridge A, active-low
RESET_B
7
15
I
Reset signal for half-bridge B, active-low
RESET_C
6
15
I
Reset signal for half-bridge C, active-low
FAULT
18
3
O
Fault signal, open-drain, active-low. An internal pull-up resistor to VREG (3.3 V) is provided on output. Level compliance for 5-V logic can be obtained by adding external pull-up resistor to 5 V
VDD
2
17
P
Power supply for digital voltage regulator requires capacitor to ground for decoupling.
VREG
11
10
P
Digital regulator supply filter pin requires 0.1- μF capacitor to AGND.
THERMAL PAD
--
N/A
T
Solder the exposed thermal pad at the bottom of the DRV8312DDW package to the landing pad on the PCB. Connect the landing pad through vias to large ground plate for better thermal dissipation.
HEAT SLUG
N/A
--
T
Mount heatsink with thermal interface to the heat slug on the top of the DRV8332DKD package to improve thermal dissipation.
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SYSTEM BLOCK DIAGRAM VDD
4 Undervoltage Protection
OTW Internal Pullup Resistors to VREG
FAULT M1 Protection and I/O Logic
M2 M3
4 VREG
VREG
Power On Reset
AGND
Temp. Sense
GND
RESET_A Overload Protection
RESET_B
Isense
OC_ADJ
RESET_C GVDD_C BST_C PVDD_C PWM_C
PWM Rcv.
Ctrl.
Timing
Gate Drive
OUT_C
GND_C GVDD_B BST_B PVDD_B PWM_B
PWM Rcv.
Ctrl.
Timing
Gate Drive
OUT_B
GND_B GVDD_A BST_A PVDD_A PWM_A
PWM Rcv.
Ctrl.
Timing
Gate Drive
OUT_A
GND_A
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ELECTRICAL CHARACTERISTICS T A = 25 °C, PVDD = 50 V, GVDD = VDD = 12 V, f Sw = 400 kHz, unless otherwise noted. All performance is in accordance with recommended operating conditions unless otherwise specified. PARAMETER
TEST CONDITIONS
MIN
TYP
MAX
UNIT
2.95
3.3
3.65
V
9
12
mA
2.5
mA
1
mA
Internal Voltage Regulator and Current Consumption VREG
Voltage regulator, only used as a reference node
IVDD
VDD supply current
IGVDD_X
Gate supply current per half-bridge
IPVDD_X
Half-bridge X (A, B, or C) idle current
VDD = 12 V Idle, reset mode Operating, 50% duty cycle
10.5
Reset mode
1.7
Operating, 50% duty cycle
8
Reset mode
0.7
Output Stage MOSFET drain-to-source resistance, low side (LS)
T J = 25°C, GVDD = 12 V
80
mΩ
MOSFET drain-to-source resistance, high side (HS)
T J = 25°C, GVDD = 12 V
80
mΩ
VF
Diode forward voltage drop
T J = 25°C - 125°C, I O = 5 A
tR
Output rise time
tF tPD_ON
RDS(on)
1
V
Resistive load, IO = 5 A
14
nS
Output fall time
Resistive load, I O = 5 A
14
nS
Propagation delay when FET is on
Resistive load, I O = 5 A
38
nS
tPD_OFF
Propagation delay when FET is of f
Resistive load, I O = 5 A
38
nS
tDT
De ad t im e b et wee n H S a nd L S F ET s
Re sis ti ve lo ad, I O = 5 A
5.5
nS
I/O Protection Vuvp,G
Gate supply voltage GVDD_X undervoltage protection threshold
8.5
V
Vuvp,hyst (1)
Hysteresis for gate supply undervoltage event
0.8
V
OTW
(1)
OTWhyst OTSD
Overtemperature warning (1)
(1)
115
Hysteresis temperature to reset OTW event Overtemperature shut down
125
135
°C
25
°C
150
°C
OTEOTWdifferential (1)
OTE-OTW overtemperature detect temperature difference
25
°C
OTSD HYST (1)
Hysteresis temperature for FAULT to be released following an OTSD event
25
°C
IOC
Overcur rent limit protect ion
Resistor—programmable, nominal, ROCP = 27 kΩ
9.7
A
IOCT
Overcurrent response time
Time from application of short condition to Hi-Z of affected FET(s)
250
ns
Static Digital Specifications VIH
High-level input voltage
PWM_A, PWM_B, PWM_C, M1, M2, M3
2
3.6
V
VIH
High-level input voltage
RESET_A, RESET_B, RESET_C
2
3.6
V
VIL
Low-level input voltage
PWM_A, PWM_B, PWM_C, M1, M2, M3, RESET_A, RESET_B, RESET_C
0.8
V
llkg
Input leakage current
100
μ A
kΩ
-100
OTW / FAULT RINT_PU
Internal pullup resistance, OTW to VREG, FAULT to VREG
VOH
High-level output voltage
VOL
Low-level output voltage
(1)
Internal pullup resistor only External pullup of 4.7 kΩ to 5 V I O = 4 mA
20
26
35
2.95
3.3
3.65
4.5
5 0.2
0.4
V V
Specified by design
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TYPICAL CHARACTERISTICS EFFICIENCY vs SWITCHING FREQUENCY (DRV8332)
NORMALIZED RDS(on) vs GATE DRIVE 1.10
100
TJ = 25°C
90 )
1.08
V 2
80 1 t a
70 % – y c n e i c i f f E
1.06 ) n o( S D
60 R(
1.04
/ )
50 n o( S D
R
40
1.02
d e zi
30 l
20
mr o
Load = 5 A PVDD = 50 V TC = 75°C
10 0
1.00
a Full Bridge
0
50
100
N
150
200
250
300
350
400
450
0.98
0.96 8.0
500
8.5
9.0
11.5
NORMALIZED RDS(on) vs JUNCTION TEMPERATURE
DRAIN TO SOURCE DIODE FORWARD ON CHARACTERISTICS
12
6 TJ = 25°C 5
1.4 5
11.0
Figure 2.
GVDD = 12 V C
10.5
Figure 1.
1.6 )
10.0
GVDD – Gate Drive – V
f – Switching Frequency – kHz
o
9.5
2 t a
4 ) n
1.2 o( S
A – t n e r r u C – I
D
R( / )
1.0 n o( S D
R d e
3
2
0.8 izl
1 a mr o N
0.6
0.4 –40 –20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
–1
0
0.2
o
Figure 3.
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0.6
0.8
1
1.2
V – Voltage – V
TJ – Junction Temperature – C
8
0.4
Figure 4.
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TYPICAL CHARACTERISTICS (continued) OUTPUT DUTY CYCLE vs INPUT DUTY CYCLE 100 fS = 500 kHz TC = 25°C
90 80 %
70 – el c y
60 ty
50
C u D t
40 u pt u O
30 20 10 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Input Duty Cycle – % Figure 5.
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THEORY OF OPERATION POWER SUPPLIES To facilitate system design, the DRV8312/32 need only a 12-V supply in addition to H-Bridge power supply (PVDD). An internal voltage regulator provides suitable voltage levels for the digital and low-voltage analog circuitry. Additionally, the high-side gate drive requiring a floating voltage supply, which is accommodated by built-in bootstrap circuitry requiring external bootstrap capacitor. To provide symmetrical electrical characteristics, the PWM signal path, including gate drive and output stage, is designed as identical, independent halfbridges. For this reason, each half-bridge has a separate gate drive supply (GVDD_X), a bootstrap pin (BST_X), and a power-stage supply pin (PVDD_X). Furthermore, an additional pin (VDD) is provided as supply for all common circuits. Special attention should be paid to place all decoupling capacitors as close to their associated pins as possible. In general, inductance between the power supply pins and decoupling capacitors must be avoided. Furthermore, decoupling capacitors need a short ground path back to the device. For a properly functioning bootstrap circuit, a small ceramic capacitor (an X5R or better) must be connected from each bootstrap pin (BST_X) to the power-stage output pin (OUT_X). When the powerstage output is low, the bootstrap capacitor is charged through an internal diode connected between the gate-drive power-supply pin (GVDD_X) and the bootstrap pin. When the power-stage output is high, the bootstrap capacitor potential is shifted above the output potential and thus provides a suitable voltage supply for the high-side gate driver. In an application with PWM switching frequencies in the range from 10 kHz to 500 kHz, the use of 100-nF ceramic capacitors (X5R or better), size 0603 or 0805, is recommended for the bootstrap supply. These 100-nF capacitors ensure sufficient energy storage, even during minimal PWM duty cycles, to keep the high-side power stage FET fully turned on during the remaining part of the PWM cycle. In an application running at a switching frequency lower than 10 kHz, the bootstrap capacitor might need to be increased in value.
10
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Special attention should be paid to the power-stage power supply; this includes component selection, PCB placement, and routing. As indicated, each halfbridge has independent power-stage supply pin (PVDD_X). For optimal electrical performance, EMI compliance, and system reliability, it is important that each PVDD_X pin is decoupled with a ceramic capacitor (X5R or better) placed as close as possible to each supply pin. It is recommended to follow the PCB layout of the DRV8312/32 EVM board. The 12-V supply should be from a low-noise, lowoutput-impedance voltage regulator. Likewise, the 50V power-stage supply is assumed to have low output impedance and low noise. The power-supply sequence is not critical as facilitated by the internal power-on-reset circuit. Moreover, the DRV8312/32 are fully protected against erroneous power-stage turn-on due to parasitic gate charging. Thus, voltagesupply ramp rates (dv/dt) are non-critical within the specified voltage range (see the Recommended Operating Conditions section of this data sheet).
SYSTEM POWER-UP/POWER-DOWN SEQUENCE Powering Up The DRV8312/32 do not require a power-up sequence. The outputs of the H-bridges remain in a high impedance state until the gate-drive supply voltage GVDD_X and VDD voltage are above the undervoltage protection (UVP) voltage threshold (see the Electrical Characteristics section of this data sheet). Although not specifically required, holding RESET_A, RESET_B, and RESET_C in a low state while powering up the device is recommended. This allows an internal circuit to charge the external bootstrap capacitors by enabling a weak pulldown of the half-bridge output. Powering Down The DRV8312/32 do not require a power-down sequence. The device remains fully operational as long as the gate-drive supply (GVDD_X) voltage and VDD voltage are above the UVP voltage threshold (see the Electrical Characteristics section of this data sheet). Although not specifically required, it is a good practice to hold RESET_A, RESET_B and RESET_C low during power down to prevent any unknown state during this transition.
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ERROR REPORTING
Bootstrap Capacitor Under Voltage Protection
The FAULT and OTW pins are both active-low, opendrain outputs. Their function is for protection-mode signaling to a PWM controller or other system-control device.
When the device runs at a low switching frequency (e.g. less than 10 kHz with a 100-nF bootstrap capacitor), the bootstrap capacitor voltage might not be able to maintain a proper voltage level for the high-side gate driver. A bootstrap capacitor undervoltage protection circuit (BST_UVP) will prevent potential failure of the high-side MOSFET. When the voltage on the bootstrap capacitors is less than the required value for safe operation, the DRV8312/32 will initiate bootstrap capacitor recharge sequences (turn off high side FET for a short period) until the bootstrap capacitors are properly charged for safe operation. This function may also be activated when PWM duty cycle is too high (e.g. less than 20 ns off time at 10 kHz). Note that bootstrap capacitor might not be able to be charged if no load or extremely light load is presented at output during BST_UVP operation, so it is recommended to turn on the low side FET for at least 50 ns for each PWM cycle to avoid BST_UVP operation if possible.
Any fault resulting in device shutdown, such as overtemperatue shut down, overcurrent shut-down, or undervoltage protection, is signaled by the FAULT pin going low. Likewise, OTW goes low when the device junction temperature exceeds 125°C (see Table 1). Table 1. Protection Mode Signal Descriptions FAULT
OTW
DESCRIPTION
0
0
Overtemperature warning and (overtemperature shut down or overcurrent shut down or undervoltage protection) occurred
0
1
Overcurrent shut-down or GVDD undervoltage protection occurred
1
0
Overtemperature warning
1
1
Device under normal operation
TI recommends monitoring the OTW signal using the system microcontroller and responding to an OTW signal by reducing the load current to prevent further heating of the device resulting in device overtemperature shutdown (OTSD). To reduce external component count, an internal pullup resistor to internal VREG (3.3 V) is provided on both FAULT and OTW outputs. Level compliance for 5-V logic can be obtained by adding external pull-up resistors to 5 V (see the Electrical Characteristics section of this data sheet for further specifications).
DEVICE PROTECTION SYSTEM The DRV8312/32 contain advanced protection circuitry carefully designed to facilitate system integration and ease of use, as well as to safeguard the device from permanent failure due to a wide range of fault conditions such as short circuits, overcurrent, overtemperature, and undervoltage. The DRV8312/32 respond to a fault by immediately setting the half bridge outputs in a high-impedance (Hi-Z) state and asserting the FAULT pin low. In situations other than overcurrent or overtemperature, the device automatically recovers when the fault condition has been removed or the gate supply voltage has increased. For highest possible reliability, reset the device externally no sooner than 1 second after the shutdown when recovering from an overcurrent shut down (OCSD) or OTSD fault.
For applications with lower than 10 kHz switching frequency and not to trigger BST_UVP protection, a larger bootstrap capacitor can be used (e.g., 1 uF cap for 800 Hz operation). When using a bootstrap cap larger than 220 nF, it is recommended to add 5 ohm resistors between 12V GVDD power supply and GVDD_X pins to limit the inrush current on the internal bootstrap diodes. Overcurr ent (OC) Protectio n The DRV8312/32 have independent, fast-reacting current detectors with programmable trip threshold (OC threshold) on all high-side and low-side powerstage FETs. There are two settings for OC protection through mode selection pins: cycle-by-cycle (CBC) current limiting mode and OC latching (OCL) shut down mode. In CBC current limiting mode, the detector outputs are monitored by two protection systems. The first protection system controls the power stage in order to prevent the output current from further increasing, i.e., it performs a CBC current-limiting function rather than prematurely shutting down the device. This feature could effectively limit the inrush current during motor start-up or transient without damaging the device. During short to power and short to ground conditions, the current limit circuitry might not be able to control the current to a proper level, a second protection system triggers a latching shutdown, resulting in the related half bridge being set in the high-impedance (Hi-Z) state. Current limiting and overcurrent protection are independent for halfbridges A, B, and C, respectively.
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Figure 6 illustrates cycle-by-cycle operation with high side OC event and Figure 7 shows cycle-by-cycle operation with low side OC. Dashed lines are the operation waveforms when no CBC event is triggered and solide lines show the waveforms when CBC event is triggered. In CBC current limiting mode, when low side FET OC is detected, devcie will turn off the affected low side FET and keep the high side FET at the same half brdige off until next PWM cycle; when high side FET OC is detected, devcie will turn off the affected high side FET and turn on the low side FET at the half brdige until next PWM cycle. In OC latching shut down mode, the CBC current limit and error recovery circuitries are disabled and an overcurrent condition will cause the device to shutdown. After shutdown, RESET_A, RESET_B, and RESET_C must be asserted to restore normal operation after the overcurrent condition is removed. For added flexibility, the OC threshold is programmable using a single external resistor connected between the OC_ADJ pin and AGND pin. See Table 2 for information on the correlation between programming-resistor value and the OC threshold. Table 2. Programming-Resistor Values and OC Threshold OC-ADJUST RESISTOR VALUES (k Ω) 19
(1)
12
MAXIMUM CURRENT BEFORE OC OCCURS (A)
(1)
13.2
22
11.6
24
10.7
27
9.7
30
8.8
36
7.4
39
6.9
43
6.3
47
5.8
56
4.9
68
4.1
82
3.4
100
2.8
120
2.4
150
1.9
200
1.4
Recommended to use in OC Latching Mode Only
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It should be noted that a properly functioning overcurrent detector assumes the presence of a proper inductor or power ferrite bead at the powerstage output. Short-circuit protection is not guaranteed with direct short at the output pins of the power stage. Overtemperature Protection The DRV8312/32 have a two-level temperatureprotection system that asserts an active-low warning signal (OTW) when the device junction temperature exceeds 125°C (nominal) and, if the device junction temperature exceeds 150°C (nominal), the device is put into thermal shutdown, resulting in all half-bridge outputs being set in the high-impedance (Hi-Z) state and FAULT being asserted low. OTSD is latched in this case and RESET_A, RESET_B, and RESET_C must be asserted low to clear the latch. Undervoltage Protection (UVP) and Power-On Reset (POR) The UVP and POR circuits of the DRV8312/32 fully protect the device in any power-up / down and brownout situation. While powering up, the POR circuit resets the overcurrent circuit and ensures that all circuits are fully operational when the GVDD_X and VDD supply voltages reach 9.8 V (typical). Although GVDD_X and VDD are independently monitored, a supply voltage drop below the UVP threshold on any VDD or GVDD_X pin results in all half-bridge outputs immediately being set in the highimpedance (Hi-Z) state and FAULT being asserted low. The device automatically resumes operation when all supply voltage on the bootstrap capacitors have increased above the UVP threshold.
DEVICE RESET Three reset pins are provided for independent control of half-bridges A, B, and C. When RESET_X is asserted low, two power-stage FETs in half-bridges X are forced into a high-impedance (Hi-Z) state. A rising-edge transition on reset input allows the device to resume operation after a shut-down fault. That is, when half-bridge X has OC shutdown in CBC mode, a low to high transition of RESET_X pin will clear the fault and FAULT pin. When an OTSD or OC shutdown in Latching mode occurs, all three RESET_A, RESET_B, and RESET_C need to have a low to high transition to clear the fault and reset FAULT signal.
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DIFFERENT OPERATIONAL MODES The DRV8312/32 support two different modes of operation: 1. Three-phase (3PH) or three half bridges (HB) with CBC current limit 2. Three-phase or three half bridges with OC latching shutdown (no CBC current limit) Because each half bridge has independent supply and ground pins, a shunt sensing resistor can be inserted between PVDD to PVDD_X or GND_X to GND (ground plane). A high side shunt resistor between PVDD and PVDD_X is recommended for differential current sensing because a high bias voltage on the low side sensing could affect device operation. If low side sensing has to be used, a shunt resistor value of 10 mΩ or less or sense voltage 100 mV or less is recommended. Figure 8 and Figure 9 show the three-phase application examples, and Figure 10 shows how to connect to DRV8312/32 with some simple logic to accommodate conventional 6 PWM inputs control. We recommend using complementary control scheme for switching phases to prevent circulated energy flowing inside the phases and to make current limiting feature active all the time. Complementary control scheme also forces the current flowing through sense resistors all the time to have a better current sensing and control of the system.
Figure 11 shows six steps trapezoidal scheme with hall sensor control and Figure 12 shows six steps trapezoidal scheme with sensorless control. The hall sensor sequence in real application might be different than the one we showed in Figure 11 depending on the motor used. Please check motor manufacture datasheet for the right sequence in applications. In six step trapezoidal complementary control scheme, a half bridge with larger than 50% duty cycle will have a positive current and a half bridge with less than 50% duty cycle will have a negative current. For normal operation, changing PWM duty cycle from 50% to 100% will adjust the current from 0 to maximum value with six steps control. It is recommanded to apply a minimum 50ns to 100 nS PWM pulse at each switching cycle at lower side to properly charge the bootstrap cap. The impact of minimum pulse at low side FET is pretty small, e.g., the maximum duty cycle is 99.9% with 100ns minimum pulse on low side. RESET_Xpin can be used to get channel X into high impedance mode. If you prefer PWM switching one channel but hold low side FET of the other channel on (and third channel in Hi-Z) for 2-quadrant mode, OT latching shutdown mode is recommended to prevent the channel with low side FET on stuck in Hi-Z during OC event in CBC mode. The DRV8312/32 can also be used for sinusoidal waveform control and field oriented control. Please check TI website MCU motor control library for control algorithms.
CBC with High Side OC
During T_OC Period PVDD
Current Limit Load Current
PWM_HS
Load PWM_LS
PWM_HS
PWM_LS
GND_X T_HS T_OC
T_LS
Figure 6. Cycle-by-Cycle Operation with High Side OC (dashed line: normal op eration; solid line: CBC event)
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During T_OC Period
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CBC with Low Side OC
PVDD Current Limit Load Current
PWM_HS
PWM_HS
Load PWM_LS
PWM_LS
GND_X
T_LS T_OC T_HS
Figure 7. Cycle-by-Cycle Operation wit h Low Side OC (dashed line: nor mal operation; solid line: CBC event) GVDD
PVDD
1 F
DRV8332
3 30 F
3.3 1000 F
GVDD_B
1F
GVDD_A
OTW
10 nF
BST_A 100 nF PVDD_A
FAULT PWM_A
OUT_A
RESET_A
GND_A
PWM_B
GND_B
OC_ADJ
OUT_B
Loc Rsense_A
100nF
M
Rsense_B
Controller (MSP430 C2000 or Stellaris MCU)
Loc
Roc_adj 1
GND
PVDD_B
AGND
BST_B
100 nF
100nF
100 nF VREG
NC
M3
NC
M2
GND
M1
GND
Rsense_x 10 m or Vsense < 100 mV Rsense_C
RESET_B RESET_C PWM_C
GVDD
VDD 47 F
GND_C
Loc
OUT_C PVDD_C BST_C
100 nF
100nF
1 F GVDD_C
PVDD
GVDD_C
1F
Figure 8. DRV8332 Appli cation Diagram f or Three-Phase Operation
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1F
DRV8312 GVDD
GVDD_B
PVDD
100 nF
1F
3 30 F
GVDD_A BST_A
3.3
NC
NC
10 nF
NC
PVDD_A
FAULT
PVDD_A
OTW
1000 F
Controller (MSP430 C2000 or Stellaris MCU)
PWM_A
OUT_A
RESET_A
GND_A
PWM_B
GND_B
OC_ADJ
OUT_B
Loc Rsense_A
100nF
M
Rsense_B Loc
Roc_adj 1 GND
PVDD_B
AGND
BST_B
VREG
NC
M3
NC
M2
GND
M1
GND
100 nF
100nF
100 nF
Rsense_x 10 m or Vsense < 100 mV Rsense_C
RESET_B
RESET_C
GVDD 1F
47 F
GND_C
PWM_C
PVDD_C
NC
PVDD_C
NC
NC
VDD GVDD_C
Loc
OUT_C
100nF
PVDD
BST_C
100 nF
GVDD_C
1F
Figure 9. DRV8312 Appli cation Diagram f or Three-Phase Operation
PVDD
Controller PWM_AH
PWM_A
PWM_BH
PWM_B
PWM_CH
PWM_C
MOTOR OUT_A OUT_B
RESET_A
OUT_C
PWM_AL RESET_B PWM_BL RESET_C PWM_CL
GND_A GND_B GND_C
Figure 10. Control Signal Logic with Conventional 6 PWM Input Scheme
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S1
S2
S3
S4
S5
S6
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S1
S2
S3
S4
S5
S6
Hall Sensor H1
Hall Sensor H2
Hall Sensor H3
Phase Current A
Phase Current B
Phase Current C
PWM_A
PWM_B
PWM_C
RESET_A
RESET_B
RESET_C
360
o
o
360
PWM= 100%
PWM=75%
Figure 11. Hall Sensor Control with 6 Steps Trapezoidal Scheme
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S1
Back EMF (Vab)
Back EMF (Vbc)
Back EMF (Vca)
S2
S3
S4
S5
S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
0V
0V
0V
Phase A Current and Voltage
Va
Ia 0A
0V
Phase B Current and Voltage
Vb
Ib
0A 0V
Vc
Phase C Current and Voltage
Ic
0A 0V
PWM_A
PWM_B
PWM_C
RESET_A
RESET_B
RESET_C o
o
360
360
PWM= 100%
PWM= 75%
Figure 12. Sensorless Control with 6 Steps Trapezoidal Scheme Submit Documentation Feedback
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APPLICA TION INFORMATION SYSTEM DESIGN RECOMMENDATIONS Voltage of Decoupling Capacitor The voltage of the decoupling capacitors should be selected in accordance with good design practices. Temperature, ripple current, and voltage overshoot must be considered. The high frequency decoupling capacitor should use ceramic capacitor with X5R or better rating. For a 50-V application, a minimum voltage rating of 63 V is recommended. Current Requirement of 12V Power Supply The DRV8312/32 require a 12V power supply for GVDD and VDD pins. The total supply current is pretty low at room temp (less than 50mA), but the current could increase significantly when the device temperature goes too high (e.g. above 125°C), especially at heave load conditions due to substrate current collection by 12V guard rings. So it is recommended to design the 12V power supply with current capability at least 5-10% of your load current and no less than 100mA to assure the device performance across all temperature range. VREG Pin The VREG pin is used for internal logic and should not be used as a voltage source for external circuitries. The capacitor on VREG pin should be connected to AGND. VDD Pin The transient current in VDD pin could be significantly higher than average current through VDD pin. A low resistive path to GVDD should be used. A 22-µF to 47-µF capacitor should be placed on VDD pin beside the 100-nF to 1-µF decoupling capacitor to provide a constant voltage during transient. OTW Pin OTW reporting indicates the device approaching high junction temperature. This signal can be used with MCU to decrease system power when OTW is low in order to prevent OT shut down at a higher temperature. No external pull up resistor or 3.3V power supply is needed for 3.3V logic. The OTW pin has an internal pullup resistor connecting to an internal 3.3V to reduce external component count. For 5V logic, an external pull up resistor to 5V is needed. FAULT Pin The FAULT pin reports any fault condition resulting in device shut down. No external pull up resistor or 3.3V power supply is needed for 3.3V logic. The FAULT pin has an internal pullup resistor connecting to an internal 3.3V to reduce external component count. For 5V logic, an external pull upresistor to 5V is needed. OC_ADJ Pin For accurate control of the overcurrent protection, the OC_ADJ pin has to be connected to AGND through an OC adjust resistor. PWM_X and RESET_X Pins It is recommanded to connect these pins to either AGND or GND when they are not used, and these pins only support 3.3V logic. Mode Select Pins Mode select pins (M1, M2, and M3) should be connected to either VREG (for logic high) or AGND for logic low. It is not recommended to connect mode pins to board ground if 1-Ω resistor is used between AGND and GND.
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Output Inductor Selection For normal operation, inductance in motor (assume larger than 10 µH) is sufficient to provide low di/dt output (e.g. for EMI) and proper protection during overload condition (CBC current limiting feature). So no additional output inductors are needed during normal operation. However during a short condition, the motor (or other load) could be shorted, so the load inductance might not present in the system anymore; the current in short condition can reach such a high level that may exceed the abs max current rating due to extremely low impendence in the short circuit path and high di/dt before oc detection circuit kicks in. So a ferrite bead or inductor is recommended to utilize the short circuit protection feature in DRV8312/32. With an external inductor or ferrite bead, the current will rise at a much slower rate and reach a lower current level before oc protection starts. The device will then either operate CBC current limit or OC shut down automatically (when current is well above the current limit threshold) to protect the system. For a system that has limited space, a power ferrite bead can be used instead of an inductor. The current rating of ferrite bead has to be higher than the RMS current of the system at normal operation. A ferrite bead designed for very high frequency is NOT recommended. A minimum impedance of 10 Ω or higher is recommended at 10 MHz or lower frequency to effectively limit the current rising rate during short circuit condition. The TDK MPZ2012S300A and MPZ2012S101A (with size of 0805 inch type) have been tested in our system to meet short circuit conditions in the DRV8312. But other ferrite beads that have similar frequency characteristics can be used as well. For higher power applications, such as in the DRV8332, there might be limited options to select suitable ferrite bead with high current rating. If an adequate ferrite bead cannot be found, an inductor can be used. The inductance can be calculated as: PVDD Toc _ delay Loc _ min Ipeak Iave
(1)
Where Toc_delay = 250 nS, Ipeak = 15 A (below abs max rating). Because an inductor usually saturates pretty quickly after reaching its current rating, it is recommended to use an inductor with a doubled value or an inductor with a current rating well above the operating condition.
PCB LAYOUT RECOMMENDATION PCB Material Recommendation FR-4 Glass Epoxy material with 2 oz. copper on both top and bottom layer is recommended for improved thermal performance (better heat sinking) and less noise susceptibility (lower PCB trace inductance). Ground Plane Because of the power level of these devices, it is recommended to use a big unbroken single ground plane for the whole system / board. The ground plane can be easily made at bottom PCB layer. In order to minimize the impedance and inductance of ground traces, the traces from ground pins should keep as short and wide as possible before connected to bottom ground plane through vias. Multiple vias are suggested to reduce the impedance of vias. Try to clear the space around the device as much as possible especially at bottom PCB side to improve the heat spreading. Decoupling Capacitor High frequency decoupling capacitors (100 nF) should be placed close to PVDD_X pins and with a short ground return path to minimize the inductance on the PCB trace. AGND AGND is a localized internal ground for logic signals. A 1-Ω resistor is recommended to be connected between GND and AGND to isolate the noise from board ground to AGND. There are other two components are connected to this local ground: 0.1-µF capacitor between VREG to AGND and Roc_adj resistor between OC_ADJ and AGND. Capacitor for VREG should be placed close to VREG and AGND pins and connected without vias.
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Current Shunt Resistor If current shunt resistor is connected between GND_X to GND or PVDD_X to PVDD, make sure there is only one single path to connect each GND_X or PVDD_X pin to shunt resistor, and the path is short and symmetrical on each sense path to minimize the measurement error due to additional resistance on the trace.
PCB LAYOUT EXAMPLE An example of the schematic and PCB layout of DRV8312 are shown in Figure 13, Figure 14, and Figure 15.
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C T U O
W 1
L A T O T S I
V 0 5 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
7 5 C
2 3 R
1 3 3 0 9 6 0
C b h I S I
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
5 2 C
V 0 5 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
8 5 C
3 3 R
1 3 3 0 9 6 0
L A T O T S I N O I T P O F F U T S
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
6 2 C
D N G V 5 . 2 9 + 1 C 8 4 R
4
K 3 4 . 0 5 6 1 0
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
0 4 R
8 2 R
9 3 1 0 6 6 0
9 4 R
3
N I -
4
V B V D I B A D 3 5 2 6 3 T A O S P O
N I +
1 A O V
T U O V
+ V
1
5
2
3 2 C
D N G
W 5 8 / 0 1 8 3 0 3
8 1 R
T U O V
V
D N G
1
0 . 3 0 0 6 0
+ V
V B V D I B A D 3 5 2 6 3 T A O S P O
5
4 2 C
D N G
N O I T P O F F U T S
C b h I S I
K 3 1 . 0 0 6 3 0
W 1
W 1
0 1 6 0 5 0 . 2 R 0 1
V 0 0 1 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
0 5 C
K 3 2 . 0 0 6 1 0
V 5 . 2 1 + 2 C 4 5 R
V 6 1 / d f u 3 1 . 0 6 0 0
2 1 6 0 5 0 . 2 R 0 1
4
2 b h V C D A
D N G
V 0 0 1 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
6 5 C
3 3 0 4 9 6 4 0 R 9
8 K 0 3 3 0 . 0 6 R 1 0
D N G
2 4 R
V
D N G
T U O V
+ V
1
5
2 V 0 0 1 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
5 5 C
D N G
K 3 0 . 0 0 6 1 0
A 6 / s 5 m 0 h 8 o 0 0 3
2 L
4 4 R
V 0 0 1 / d f u 5 1 . 0 8 0 0
6 3 C
V 0 0 1 / d f u 5 1 . 0 8 0 0
0 3 R
D N G V 5 . 2 2 + 2 C
K 3 1 . 0 0 6 3 0
5 5 R
9 3 1 0 6 6 0
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
1 3 R
K 3 4 . 0 5 6 1 0
2 6 R
K 3 1 . 0 0 6 3 0
9 3 1 0 6 6 0
K 3 0 . 0 0 6 1 0
D N G
3 4 C
V 0 0 1 / d f u 5 1 . 0 8 0 0
2 4 C
V 0 0 1 / d f u 5 0 1 . 8 0 0
V 6 1 / d f u 3 1 . 0 6 0 0
T U O V
V 2
V B V D I B A D 3 5 2 6 T 3 O A S P O
N I +
4 A O
W 5 8 / 0 1 8 3 0 3
3 6 R
3
N I -
+ V
1
5
D N D G N G
9 3 C W 5 8 / 0 1 8 3 0 3
4 6 R
V 3 . 3 +
6 2 R
K 3 2 . 0 0 6 1 0
7 2 R
K 3 2 . 0 0 6 1 0
V 6 1 / d f u 3 1 . 0 6 0 0
D N G
V 3 . 3 +
3 2 R
0 . 3 0 0 6 0
0 . 3 0 0 6 0
A _ T U O e g
n a r O
D D V P
9 2 C
D N G
D N G
D N G
5 3 0 4 9 6 4 0 R 9
4
V B V D I B A D 3 5 2 6 T 3 O A S P O
A 6 / s 5 m 0 h 8 o 0 0 3
4 L
B _ T U O e g
n a r O
7 3 C
A 6 / s 5 m 0 h 8 o 0 0 3
3 L
C _ T U O e g
D D V P
6 1 R
3
2 2 R
0 . 3 0 0 6 0
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
K 3 4 . 0 5 6 1 0
N I +
3 A O
V 3 . 3 +
1 2 R
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
8 2 C
A b h I S I
D N G
9 9 3 3 9 0 0 R 4 6
1 3 3 0 9 6 0
D N G
N I -
K 3 2 . 0 0 6 1 0
4 3 R
V 0 5 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
0 6 C
B b h I S I
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
7 1 3 2 3 0 9 6 0 C
5 3 R
B b h I -
V 0 5 / d f p 0 3 0 0 0 6 1 0
9 5 C
A b h I S I
S I
5 2 R 4 2 R
A T U O
W 1
9 3 1 0 6 6 0
W 5 8 / 0 1 8 3 0 3
9 1 R
V 3 . 3 +
0 2 R
9 2 R
K 3 4 . 0 5 6 1 0
N I +
2 A O
2
1 4 R
3
N I -
V 6 1 / d f u 3 1 . 0 6 0 0
V 0 5 / 3 d 0 f p 6 0 0 2 2
B T U O
6 3 1 0 5 0 . 2 R 0 1
D N G
V 5 . 2 0 + 2 C
K 3 1 . 0 0 6 3 0
D N G
6 1 5 0 0 . 2 5 0 R 0 1
) E N A L D P N D U N O G R G M D O E R T F U D O E R D L E I H S (
n a r O
D D V P D N G
6 4 C
V 0 0 1 / d f u 5 1 . 0 8 0 0
5 4 C
V 0 0 1 / d f u 5 0 1 . 8 0 0
D N G
D N G 4 4
3 4
2 4
1 4
0 4
9 3
8 3
7 3
6 3
5 3
4 3
3 3
2 3
1 3
0 3
9 2
8 2
7 2
6 2
5 2
4 2
3 2
W W D D D D 2 4 4 1 P 3 O 8 S V S T R H D
1 U
1
2
0 3 C
V 6 1 / d 3 f u 0 0 . 6 1 0
D N G
3
4
5
2 3 C
V 6 1 / d 3 f u 0 0 . 6 1 0
1 3 C
V 6 1 / d f u 7 4 M
+
6
8
0 1 9
2 1
1 1
3 1
4 1
D N G
e g n a r O
3 3 C
D N G
V 6 1 / d f u 3 1 . 0 6 0 0
6 3 R
W 4 / 5 0 1 8 0 . 0 1
7 3 R
5 1
3 0 6 0
6 1
e g n a r O
d a P r e w o P
8 1
e g n a r O
9 1
e g n a r O
0 2
1 2
2 2
e g n a r O
4 3 C
K 7 4
D N G
5 3 C
D N G
V 6 1 / d 3 f u 0 0 . 6 1 0
D N G
D D V G
2
2
D N G
V 6 1 / d 3 f u 0 0 . 6 1 0
1 S 3
W D D 4 4 P O S S T H
7 1
D D V G
D D V G 1 U
7
3
C T S R 1
2
3
B T S R 1
1
2
1
1 M
3
Figure 13. DRV8312 Schematic Examp le
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21
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T3
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C 3 7
T4
T2 C33
T1
C43
C 4 6
T1: PVDD decoupling capacitors C37, C43, and C46 should be placed very close to PVDD_X pins and ground return path. T2: VREG decoupling capacitor C33 should be placed very close to VREG abd AGND pins. T3: Clear the space above and below the device as much as possible to improve the thermal spreading. T4: Add many vias to reduce the impedance of ground path through top to bottom side. Make traces as wide as possible for ground path such as GND_X path.
Figure 14. Printed Circuit Bo ard – Top Layer
B1
B1: Do not block the heat transfer path at bottom side. Clear as much space as possible for better heat spreading.
Figure 15. Printed Circuit Bo ard – Bottom Layer
22
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D R V8 31 2 D R V8 33 2 SLES256C – MAY 2010– REVISED OCTOBER 2013
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THERMAL INFORMATION The thermally enhanced package provided with the DRV8332 is designed to interface directly to heat sink using a thermal interface compound in between, (e.g., Ceramique from Arctic Silver, TIMTronics 413, etc.). The heat sink then absorbs heat from the ICs and couples it to the local air. It is also a good practice to connect the heatsink to system ground on the PCB board to reduce the ground noise. RθJA is a system thermal resistance from junction to ambient air. As such, it is a system parameter with the following components: • RθJC (the thermal resistance from junction to case, or in this example the power pad or heat slug) • Thermal grease thermal resistance • Heat sink thermal resistance The thermal grease thermal resistance can be calculated from the exposed power pad or heat slug area and the thermal grease manufacturer's area thermal resistance (expressed in °C-in 2/W or °C-mm2/W). The approximate exposed heat slug size is as follows: • DRV8332, 36-pin PSOP3 …… 0.124 in2 (80 mm 2) The thermal resistance of a thermal pad is considered higher than a thin thermal grease layer and is not recommended. Thermal tape has an even higher thermal resistance and should not be used at all. Heat sink thermal resistance is predicted by the heat sink vendor, modeled using a continuous flow dynamics (CFD) model, or measured. Thus the system RθJA = RθJC + thermal grease resistance + heat sink resistance. See the TI application report, IC Package Thermal Metrics (SPRA953 A), for more thermal information. DRV8312 Thermal Via Design Recommendation Thermal pad of the DRV8312 is attached at bottom of device to improve the thermal capability of the device. The thermal pad has to be soldered with a very good coverage on PCB in order to deliver the power specified in the datasheet. The figure below shows the recommended thermal via and land pattern design for the DRV8312. For additional information, see TI application report, PowerPad Made Easy (SLMA004B) and PowerPad Layout Guidelines (SOLA120).
Figure 16. DRV8312 Thermal Via Foot prin t
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REVISION HISTORY Changes from Original (May 2010) to Revision A •
Page
Changed text in the OC_ADJ Pin section From: "For accurate control of the oevercurrent protection..." To: "For accurate control of the overcurrent protection..." ................................................................................................................
Changes from Revision A (July 2013) to Revision B •
Page
Changed the description of pin M3 From: AGND connection is recommended To: VREG connection is recommended .......................................................................................................................................................................
Changes from Revision B (September 2013) to Revision C • • •
24
18
4
Page
Changed text in the Overcurrent (OC) Protection section From: "cause the device to shutdown immediately." To: "cause the device to shutdown." .........................................................................................................................................
12
Changed text in the Overcurrent (OC) Protection section From: "RESET_B, and / or RESET_C must be asserted." To: "RESET_B, and RESET_C must be asserted" ............................................................................................................
12
Changed paragraph in the DEVICE RESET "A rising-edge transition..." ...........................................................................
12
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PACKAGE OPTION ADDENDUM
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PACKAGE OPTION ADDENDUM
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PACKAGING INFORMATION Orderable Device
Status (1)
Package Type Package Pins Package Drawing Qty
Eco Plan
Lead/Ball Finish
(2)
MSL Peak Temp
Op Temp (°C)
Device Marking
(3)
Samples
(4/5)
DRV8312DDW
ACTIVE
HTSSOP
DDW
44
35
Green (RoHS & no Sb/Br)
CU NIPDAU
Level-3-260C-168 HR
-40 to 85
DRV8312
DRV8312DDWR
ACTIVE
HTSSOP
DDW
44
2000
Green (RoHS & no Sb/Br)
CU NIPDAU
Level-3-260C-168 HR
-40 to 85
DRV8312
DRV8332DKD
ACTIVE
HSSOP
DKD
36
29
Green (RoHS & no Sb/Br)
NIPDAU
Level-4-260C-72 HR
-40 to 85
DRV8332
DRV8332DKDR
ACTIVE
HSSOP
DKD
36
500
Green (RoHS & no Sb/Br)
NIPDAU
Level-4-260C-72 HR
-40 to 85
DRV8332
(1)
The marketing status values are defined as follows: ACTIVE: Product device recommended for new designs. LIFEBUY: TI has announced that the device will be discontinued, and a lifetime-buy period is in effect. NRND: Not recommended for new designs. Device is in production to support existing customers, but TI does not recommend using this part in a new design. PREVIEW: Device has been announced but is not in production. Samples may or may not be available. OBSOLETE: TI has discontinued the production of the device. (2)
Eco Plan - The planned eco-friendly classification: Pb-Free (RoHS), Pb-Free (RoHS Exempt), or Green (RoHS & no Sb/Br) - please check http://www.ti.com/productcontent for the latest availability information and additional product content details. TBD: The Pb-Free/Green conversion plan has not been defined. Pb-Free (RoHS): TI's terms "Lead-Free" or "Pb-Free" mean semiconductor products that are compatible with the current RoHS requirements for all 6 substances, including the requirement that lead not exceed 0.1% by weight in homogeneous materials. Where designed to be soldered at high temperatures, TI Pb-Free products are suitable for use in specified lead-free processes. Pb-Free (RoHS Exempt): This component has a RoHS exemption for either 1) lead-based flip-chip solder bumps used between the die and package, or 2) lead-based die adhesive used between the die and leadframe. The component is otherwise considered Pb-Free (RoHS compatible) as defined above. Green (RoHS & no Sb/Br): TI defines "Green" to mean Pb-Free (RoHS compatible), and free of Bromine (Br) and Antimony (Sb) based flame retardants (Br or Sb do not exceed 0.1% by weight in homogeneous material) (3)
MSL, Peak Temp. -- The Moisture Sensitivity Level rating according to the JEDEC industry standard classifications, and peak solder temperature.
(4)
There may be additional marking, which relates to the logo, the lot trace code information, or the environmental category on the device.
(5)
Multiple Device Markings will be inside parentheses. Only one Device Marking contained in parentheses and separated by a "~" will appear on a device. If a line is indented then it is a continuation of the previous line and the two combined represent the entire Device Marking for that device. Important Information and Disclaimer: The information provided on this page represents TI's knowledge and belief as of the date that it is provided. TI bases its knowledge and belief on information provided by third parties, and makes no representation or warranty as to the accuracy of such information. Efforts are underway to better integrate information from third parties. TI has taken and
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continues to take reasonable steps to provide representative and accurate information but may not have conducted destructive testing or chemical analysis on incoming materials and chemicals. TI and TI suppliers consider certain information to be proprietary, and thus CAS numbers and other limited information may not be available for release. In no event shall TI's liability arising out of such information exceed the total purchase price of the TI part(s) at issue in this document sold by TI to Customer on an annual basis. OTHER QUALIFIED VERSIONS OF DRV8332 : NOTE: Qualified Version Definitions:
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PACKAGE MATERIALS INFORMATION www.ti.com
TAPE AND REEL INFORMATION
*All dimensions are nominal
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PACKAGE MATERIALS INFORMATION www.ti.com
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TAPE AND REEL INFORMATION
*All dimensions are nominal
Device
Package Package Pins Type Drawing
SPQ
Reel Reel A0 Diameter Width (mm) (mm) W1 (mm)
DRV8312DDWR
HTSSOP
DDW
44
2000
330.0
24.4
DRV8332DKDR
HSSOP
DKD
36
500
330.0
24.4
B0 (mm)
K0 (mm)
P1 (mm)
W Pin1 (mm) Quadrant
8.6
15.6
1.8
12.0
24.0
Q1
14.7
16.4
4.0
20.0
24.0
Q1
Pack Materials-Page 1
PACKAGE MATERIALS INFORMATION O
PACKAGE MATERIALS INFORMATION www.ti.com
2-Oct-2013
*All dimensions are nominal
Devi ce
P ackage Type
Package Drawing
Pins
SPQ
Length (mm)
Width (mm)
Height (mm)
DRV8312DDWR
HTSSOP
DDW
44
2000
367.0
367.0
45.0
DRV8332DKDR
HSSOP
DKD
36
500
367.0
367.0
45.0
Pack Materials-Page 2
IMPORTANT NOTICE Texas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections, enhancements, improvements and other changes to its semiconductor products and services per JESD46, latest issue, and to discontinue any product or service per JESD48, latest issue. Buyers should obtain the latest relevant information before placing orders and should verify that such information is current and complete. All semiconductor products (also referred to herein as “components”) are sold subject to TI’s terms and conditions of sale supplied at the time of order acknowledgment. TI warrants performance of its components to the specifications applicable at the time of sale, in accordance with the warranty in TI’s terms and conditions of sale of semiconductor products. Testing and other quality control techniques are used to the extent TI deems necessary to support this warranty. Except where mandated by applicable law, testing of all parameters of each component is not necessarily performed. TI assumes no liability for applications assistance or the design of Buyers’ products. Buyers are responsible for their products and applications using TI components. To minimize the risks associated with Buyers’ products and applications, Buyers should provide adequate design and operating safeguards. TI does not warrant or represent that any license, either express or implied, is granted under any patent right, copyright, mask work right, or other intellectual property right relating to any combination, machine, or process in which TI components or services are used. Information published by TI regarding third-party products or services does not constitute a license to use such products or services or a warranty or endorsement thereof. Use of such information may require a license from a third party under the patents or other intellectual property of the third party, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI. Reproduction of significant portions of TI information in TI data books or data sheets is permissible only if reproduction is without alteration and is accompanied by all associated warranties, conditions, limitations, and notices. TI is not responsible or liable for such altered documentation. Information of third parties may be subject to additional restrictions. Resale of TI components or services with statements different from or beyond the parameters stated by TI for that component or service voids all express and any implied warranties for the associated TI component or service and is an unfair and deceptive business practice. TI is not responsible or liable for any such statements. Buyer acknowledges and agrees that it is solely responsible for compliance with all legal, regulatory and safety-related requirements concerning its products, and any use of TI components in its applications, notwithstanding any applications-related information or support that may be provided by TI. Buyer represents and agrees that it has all the necessary expertise to create and implement safeguards which anticipate dangerous consequences of failures, monitor failures and their consequences, lessen the likelihood of failures that might cause harm and take appropriate remedial actions. Buyer will fully indemnify TI and its representatives against any damages arising out of the use of any TI components in safety-critical applications. In some cases, TI components may be promoted specifically to facilitate safety-related applications. With such components, TI’s goal is to help enable customers to design and create their own end-product solutions that meet applicable functional safety standards and requirements. Nonetheless, such components are subject to these terms. No TI components are authorized for use in FDA Class III (or similar life-critical medical equipment) unless authorized officers of the parties have executed a special agreement specifically governing such use. Only those TI components which TI has specifically designated as military grade or “enhanced plastic” are designed and intended for use in military/aerospace applications or environments. Buyer acknowledges and agrees that any military or aerospace use of TI components which have not been so designated is solely at the Buyer's risk, and that Buyer is solely responsible for compliance with all legal and regulatory requirements in connection with such use. TI has specifically designated certain components as meeting ISO/TS16949 requirements, mainly for automotive use. In any case of use of non-designated products, TI will not be responsible for any failure to meet ISO/TS16949. Products
Applications
Audio
Amplifiers
www.ti.com/audio
Automotive and Transportation www.ti.com/automotive
amplifier.ti.com
Communications and Telecom www.ti.com/communications
Data Converters
dataconverter.ti.com
Computers and Peripherals
DLP® Products
www.dlp.com
Consumer Electronics
dsp.ti.com
Energy and Lighting
DSP
Clocks and Timers
Interface Logic
logic.ti.com
Microcontrollers
Industrial
www.ti.com/computers www.ti.com/consumer-apps www.ti.com/energy www.ti.com/industrial
Medical
www.ti.com/medical
Security
www.ti.com/security
power.ti.com
Space, Avionics and Defense www.ti.com/space-avionics-defense
microcontroller.ti.com
Video and Imaging
www.ti.com/video
www.ti-rfid.com
OMAP Applications Processors Wireless Connectivity
interface.ti.com
Power Mgmt RFID
www.ti.com/clocks
www.ti.com/omap
TI E2E Community
e2e.ti.com
www.ti.com/wirelessconnectivity
Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265 Copyright © 2013, Texas Instruments Incorporated
Current Transducer LTS 15-NP
IPN = ± 15 At
For the electronic measurement of currents: DC, AC, pulsed, mixed with galvanic isolation between the primary circuit (high power) and the secondary circuit (electronic circuit).
16058
Features
Electrical data IPN IPM Î P VOUT G NS R L R IM TCR IM VC IC
Primary nominal current rms Primary current, measuring range Overload capability Output voltage (Analog) @ IP IP = 0 Sensitivity Number of secondary turns (± 0.1 %) Load resistance Internal measuring resistance (± 0.5 %) Temperature coefcient of R IM Supply voltage (± 5 %) Current consumption @ VC = 5 V
Typ
15 At 0 .. ± 48 At 250 At 2.5± (0.625·IP/IPN) V 2.5 1) V 41.6 mV/A 2000 ≥2 kW 83.33 W < 50 ppm/K 5 V 2) 28+IS +(VOUT/RL) mA
Accuracy - Dynamic performance data X
Accuracy @ IPN, T A = 25°C Accuracy with RIM @ IPN, T A = 25°C Linearity error
εL
TCVOUT TCG VOM
tra tr di/dt BW
± 0.2 ± 0.7 < 0.1
% % %
Typ Temperature coefcient of VOUT @ IP= 0 - 10°C .. + 85°C 65 - 40°C .. - 10°C 65 Temperature coefcient of G - 40°C .. + 85°C Magnetic offset voltage @ IP = 0, after an overload of 3 x IPN 5 x IPN 10 x IPN
Max 120 ppm/K 170 ppm/K 50 3) ppm/K
Reaction time @ 10 % of IPN Response time to 90 % of IPN step di/dt accurately followed Frequency bandwidth (0 .. - 0.5 dB) (- 0.5.. 1 dB)
± 0.5 ± 2.0 ± 2.0
< 100 < 400 > 35 DC .. 100 DC .. 200
mV mV mV ns ns A/µs kHz kHz
General data T A TS m
Closed loop (compensated) multirange current transducer using the Hall effect Unipolar voltage supply Isolated plastic case recognized according to UL 94-V0 Compact design for PCB mounting Incorporated measuring resistance Extended measuring range.
Advantages
Excellent accuracy Very good linearity Very low temperature drift Optimized response time Wide frequency bandwidth No insertion losses High immunity to external interference Current overload capability.
Applications AC variable speed drives and servo motor drives Static converters for DC motor drives Battery supplied applications Uninterruptible Power Supplies (UPS) Switched Mode Power Supplies (SMPS) Power supplies for welding applications.
Application domain
Ambient operating temperature Ambient storage temperature Mass Standards
°C - 40 .. + 85 °C - 40 .. + 100 10 g EN 50178: 1997 IEC 60950-1: 2001
Industrial.
Notes: 1) Absolute value @ T A = 25°C, 2.475 < VOUT < 2.525 2) IS = IP/NS 3) Only due to TCRIM. 110218/19
LEM reserves the right to carry out modications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.
Page 1/3
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Current Transducer LTS 15-NP Isolation characteristics Vd Vw
Rms voltage for AC isolation test, 50 Hz, 1 min Impulse withstand voltage 1.2/50 µs
Ve
Rms voltage for partial discharge extinction @ 10pC
dCp dCI CTI
Creepage distance 1) Clearance distance 2) Comparative Tracking Index (group IIIa)
3 >8 Min > 1.5 Min 15.5 6.35 175
kV kV kV mm mm
Notes: 1) On housing 2) On PCB with soldering pattern UTEC93-703.
Applications examples According to EN 50178 and IEC 61010-1 standards and following conditions: Over voltage category OV 3 Pollution degree PD2 Non-uniform eld
EN 50178
IEC 61010-1
Rated insulation voltage
Nominal voltage
Single insulation
600 V
600 V
Reinforced insulation
300 V
300 V
dCp, dCI, Vw
Safety
This transducer must be used in electric/electronic equipment with respect to applicable standards and safety requirements in accordance with the manufacturer’s operating instructions.
Caution, risk of electrical shock When operating the transducer, certain parts of the module can carry hazardous voltage (eg. primary busbar, power supply). Ignoring this warning can lead to injury and/or cause serious damage. This transducer is a build-in device, whose conducting parts must be inaccessible after installation. A protective housing or additional shield could be used. Main supply must be able to be disconnected.
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LEM reserves the right to carry out modications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.
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Dimensions LTS 15-NP (in mm) Operation principle
Number of primary turns
1
Primary nominal current rms IPN [ A ]
± 15
Nominal output voltage VOUT [ V ]
Primary resistance RP [ mΩ ]
2.5 ± 0.625
Primary insertion inductance LP [ µH ]
0.18
Recommended connections
± 7.5
2.5 ± 0.625
0.81
±5
2.5 ± 0.625
1.62
OUT
1 6
2 5
3 4
OUT
1 6
2 5
3 4
OUT
1
2
3
0.12 IN
Mechanical characteristics
4
0.05 IN
3
5
0.013 IN
2
6
Output Voltage - Primary Current VOUT
General tolerance ± 0.2 mm Fastening & connection of primary 6 pins 0.8 x 0.8 mm Recommended PCB hole 1.3 mm Fastening & connection of secondary 3 pins 0.5 x 0.35 mm Recommended PCB hole 0.8 mm Additional primary through-hole Ø 3.2 mm
[ V ]
5 4.5
3.125 2.5
Remarks
1.875
VOUT swings above 2.5 V when IP ows from terminals 1, 2, 3 to terminals 6, 5, 4 (with the arrow). Temperature of the primary jumper should not exceed 100°C.
0.5
- IPM
- IPN 0
IPN
IP
[ At ]
IPM Page 3/3
110218/19
LEM reserves the right to carry out modications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.
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Features ● ● ●
● ●
INNOLINE
Efficiency up to 96%, Non isolated, no need for heatsinks Pin-out compatible with LM78XX Linears Low profile( L*W*H=11.5*8.5*17.5mm) High voltage input range, up to 72V Short circuit protection, Thermal shutdown Non standard outputs available as specials between 3.3V~24V Low ripple and noise ”L” version with 90° pins See Innoline Application Notes for use as an inverter (alternative to LM79xx Linear)
DC/DC-Converter with 3 year Warranty
0.5 AMP SIP3 Single Output
Description The R-78HBxx-Series high efficiency, high input voltage switching regulators are ideally suited to replace 78xx linear regulators and are pin compatible. The efficiency of up to 96% means that very little energy is wasted as heat so there is no need for any heat sinks with their additional space and mounting costs. An input voltage range of up to 8:1is unsurpassed by any other converter and allows the full stored energy utilisation of standard and high voltage batteries. The fully protected output is ideal for industrial applications (especially for industry standard 24VDC bus supplies) and the L-Version with 90° pins allows direct replacement for laid-flat regulators where component height is at a premium. Low ripple and noise figures and a short circuit input current of typically only 15mA round off the specifications of this versatile converter series. Typical applications include telecommunication, automotive, industrial, aerospace and battery powered applications.
EN-55022 Certified EN-55024 Certified EN-60601-1-2 Certified EN-60950-1 Certified
Selection Guide Part Number SIP3
Input Range (V)
Output Voltage (V)
Output Current (A)
R-78HB3.3-0.5
9 - 72
3.3
0.5
82
80
76
R-78HB5.0-0.5
9 - 72
5.0
0.5
87
85
81
R-78HB6.5-0.5
9 - 72
6.5
0.5
91
87
84
R-78HB9.0-0.5
14 - 72
9.0
0.5
92
90
86
R-78HB12-0.5
17 - 72
12
0.5
94
93
89
R-78HB15-0.5
20 - 72
15
0.5
95
94
91
R-78HB24-0.3
36 - 72
24
0.3
96
Efficiency Vmin. 30V 72V (%) (%) (%)
92
* add Suffix “L” for 90° bent pins, e.g. R-78HB5.0-0.5L
RoHS 2002/95/EC 6/6
R-78HB Derating-Graph (Ambient Temperature)
Typical Application Circuit
www.recom-international.com
REV:1/2010
I-27
R-78HBxx-0.5 (L) Series
INNOLINE
DC/DC-Converter
Specifications (refer to the standard application circuit, Ta: 25°C, minimum load = 10%) Characteristics Input Voltage Range
Conditions See table
Min. 9V
Typ. 72V
Max. 75V Absolute Max.
Output Voltage Range (for customized parts) Output Current (see Note 1)
All Series 3.3V, 5V, 6.5V, 9V, 12V, 15V 24V
Output Current Limit (Vin = 48VDC)
All Series
700mA
1200mA
Short Circuit Input Current
All Series
15mA
25mA
3.3V 10mA 6mA
24V 500mA 300mA
Internal Input Filter
1µF Capacitor
Internal Power Dissipation
0.65W
Short Circuit Protection
Continuous, automatic recovery
Output Voltage Accuracy
At 100% Load
±2%
±3%
Line Voltage Regulation
Vin = min. to max. at full load
0.4%
1%
Load Regulation
10% to 100% full load
0.3&
0.6%
Dynamic Load Stability (with Output Capacitor=100µF)
100% <-> 50% load
±75mV
±100mV
Ripple & Noise (without Output Capacitor)
10% to 100% full load
20mVp-p
60mVp-p
Temperature Coefficient Max capacitance Load
-40°C ~ +85°C ambient with normal start-up time, no external components with <1 second start up time + diode protection circuit
Switching Frequency (See Graph)
Full Load
Quiescent Current
Vin = 48VDC. at minimum load
0.015%/°C 100µF 6800µF 120kHz
800kHz
1mA
Operating Temperature Range
5mA
-40°C
+85°C
Operating Case Temperature
+100°C
Storage Temperature Range
-55°C
+125°C
Case Thermal Impendance Thermal Shutdown B H Relative Humidity 8 7 - Case Material R Potting Material
60°C / W Internal IC junction
+160°C 95% RH Non-Conductive Black Plastic Epoxy (UL94V-0)
Package Weight
4g
Packing Quantity
42 pcs per Tube
Soldering Temperature
265°C max./10 sec.
Conducted Emissions Radiated Emissions ESD
EN55022 EN55022 EN61000-4-2
Safety Certification
EN-60950-1
MTBF (+25°C)
using MIL-HDBK 217F
7395 x 10³ hours
using MIL-HDBK 217F
1242 x 10³ hours
(+71°C)
}
Detailed Information see Application Notes chapter "MTBF"
Switching Frequency vs Load
Class B Class B Class A
I-28
REV: 1/2010
www.recom-electronic.com
R-78HBxx-0.5 (L) Series
INNOLINE
DC/DC-Converter Typical Characteristics
Ripple
Efficiency
*Note: Operation under no load will not damage these devices, however they may not meet all specifications. A minimum load of 10mA is recommended
www.recom-international.com
REV:1/2010
I-29
R -7 8 H B
