AN135 - MPQ6526およびMPQ6527ファミリのDCモータシステム入力コンデンサの推奨事項と放電回路

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はじめに

モータ制御システムの場合、モータ速度が低下すると、機械システムまたはその他の誘導負荷に蓄積されたエネルギーが、モータドライバを介してDC電源入力レールに再循環される場合があります。実際のアプリケーションでは、このエネルギーを吸収するのに十分な入力容量を追加する必要があります。

1. セラミックコンデンサ (バイパスコンデンサ)

セラミックコンデンサは電源バイパスコンデンサであり、電源定格のX5RまたはX7Rタイプである必要があります。0.1μFのセラミックコンデンサは、VINピン (またはVS、VM) からPGNDピンに接続されたデバイスのできるだけ近くに配置する必要があります。

2. バルクコンデンサ

さらに、バルクコンデンサをVINピンに含める必要があります。これは、モータまたは電源から流れるエネルギーを吸収するために必要であり、応用の要件に応じたサイズにする必要があります。

このアプリケーションノートでは、MPQ6526およびMPQ6527ファミリのバルクコンデンサの推奨事項と放電回路について説明します。MPQ6526およびMPQ6527ファミリは、パワーMOSFETが集積されたマルチハーフブリッジDMOS出力ドライバであり、DCモータを駆動するためのHブリッジのアプリケーションをサポートします。

LOASから入力レールまでリサイクルされた力学的エネルギー

モータの速度が低下したり、動きが停止したりすると、モータは発電機として機能します。発電機は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流が流れるための何らかの経路を必要とします。このエネルギーは、ほとんどが熱として放散されるか、DC入力レールに再利用されます。

1. モータの出力を短絡する

モータの出力を短絡することによって経路が提供され、モータが停止する場合。この場合、エネルギーは主にモータの巻線抵抗と電流経路の抵抗で熱として放散され、モータを短絡させます。

図1: 熱として放散されるエネルギー (M3 / M4オン)

実際には、短絡は通常、HブリッジのローサイドMOSFETをオンにして電流経路を提供することによって適用されます。

2. 電源に逆流するエネルギー

制御システムがモータの速度を急速に低下させたい場合、モータに適用される電流の極性を逆にして、Hブリッジの別の対角線のペアをオンにするか、回転させることによって適用されるモーションと反対のトルクを提供します。すべてのMOSFETをオフにします (電流はボディダイオードを流れます) 。これが行われると、蓄積された運動エネルギーは、モータドライバ回路を介して電源に戻されます。

モータから流れるエネルギー源は2つあります。1. 残留インダクタ電流転流、2.BEMFのM1 / M4からM2 / M3への転流から発生する残留インダクタ電流の場合 (図2) 、電機子の寄生インダクタの電流は、M1 / M4がオフになってもすぐには消費されません。その後、インダクタのエネルギーは、M2とM3のボディダイオードを介して入力コンデンサに逆流します。逆BEMF電流は、モータ速度が高速から低速に切り替わった結果として発生します。印加モータ電圧が (PWMまたは入力を介して) 低下してモータ速度が低下した場合、モータ速度に比例するBEMFの部分はすぐには変化しないため、BEMFは印加電圧よりも大きくなります。エネルギーの反転により、入力コンデンサが充電され、電圧スパイクが発生する可能性があります。

図2: 電源に逆流するエネルギー

電源が完璧なバッテリであれば、エネルギーはバッテリに逆流してリサイクルされます。ただし、電源は通常DC電源であり、特に逆極性保護ダイオードを使用すると、電流をソースすることしかできず、電流をシンクすることはできません。エネルギーが移動すべき所は、Vs電源ピンに配置されたバルク静電容量だけです。

コンデンサに蓄積されたエネルギーの量は、½ CV2を用いて計算することができます。 ここで、Cは静電容量、Vは電圧です。コンデンサの両端の電圧は、エネルギーがコンデンサに流入するにつれて増加するはずです。したがって、バルクコンデンサをVINピンに含める必要があります。これは、モータまたは電源から流れるエネルギーを吸収するために必要であり、応用の要件に応じたサイズにする必要があります。

エネルギー量が多い場合や容量が不足している場合は、電圧が上昇して最大電源電圧制限 (MPQ6526およびMPQ6527の40Vなど) を超え、モータドライバICまたは同じ電源に接続されている他の回路が損傷する可能性があります。

電源リップルと放電回路

多くの一般的な応用では、図3のD1などの逆極性保護ダイオードを使用しています。しかし、この方法には一定の危険が伴います。禁止モード中、ICは最大20μAなどの非常に低い電流IVSのみを消費します。供給電圧のピークがあると、ブロッキングコンデンサが徐々に充電されます。D1は、コンデンサが電源を介して放電するのを防ぎます。静止電流が非常に小さいため、ICを介した放電も無視できます。これは、禁止モードで長期間、ICの供給電圧が最大供給電圧制限を超えるまで継続的に増加し、ICに損傷を与える可能性があることを意味します。そのため、MPQ6526およびMPQ6527ファミリは、このような不要な影響を防ぐ放電回路を備えています。VSが約37Vのしきい値を超えると、VSが再びしきい値を下回るまで、ブロッキングコンデンサが内蔵抵抗を介して放電されます。

図3: 放電回路の機能原理

電源ピンの入力コンデンサに関する推奨事項

通常、セラミックコンデンサと並列のバルク電解コンデンサが推奨されます。電源ピンの定格が100nFのセラミックコンデンサは、デバイスのできるだけ近くに配置する必要があります。また、適切なサイズのバルクコンデンサを電源ピンに配置する必要があります。推奨値である22μF以上の電解コンデンサが推奨されましたが、適切なサイズのバルクコンデンサを決定するにはシステムレベルのテストが必要です。

バルクコンデンサの定格電圧は、通常の動作電圧よりも高く、リサイクルされたエネルギーが電源に逆流する場合に十分なマージンを提供する必要があります。

必要な電解コンデンサの値は、次のような多くの要因によって異なります。

  • 外部負荷
  • 逆伝導電流
  • ソース電流に対する電源の静電容量
  • 電源とモータシステム間の寄生インダクタンスの量。これにより、電源からの電流変化率が制限されます。より大きな入力容量が使用されるほど、より安定したモータ電圧とより高い電流を迅速に供給することができます
  • 最大供給電圧制限と許容可能な電圧リップル
  • モータブレーキ方式、出力ショートブレーキまたは電流極性反転ブレーキ

図2に示すように、リサイクルされた電気エネルギーは入力コンデンサを充電します。DC入力レールの容量が不十分な場合、高電圧スパイクが発生し、電力段が損傷する可能性があります。入力レールに十分な静電容量を取り付けることが現実的でない場合は、OVP回路を使用してエネルギーを放電し、入力レールの電圧を制限することもできます。

設計まとめ

入力電源に戻されるエネルギーは、電圧スパイクと潜在的なリスクを引き起こします。このエネルギーを吸収するのに十分な入力容量を追加する必要があります。モータ駆動システムの設計では、十分な入力バルク容量が重要です。バルク容量を増やすことは有益ですが、欠点はコストと物理的サイズの増加です。この応用ノートは、エネルギーを電源に戻す方法と、十分なバルクコンデンサを使用する必要がある理由を理解するのに役立ちます。特定のシステムのコンポーネント値を適切に決定するために必要な計算はこの記事の範囲を超えていますが、静電容量とクランプコンポーネントの計算を含む詳細は、アプリケーションノートAN132「入力コンデンサと過電圧保護回路の設計」に記載されています。

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