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 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. 2
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.
1 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
2 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 otras 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, cuadriciclos,…
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 satisfactor ia
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 e l
control funcione correctamente dado lo críticos que son los tiempos de ejecución y
proceso 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
proceso 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.
ÍNDICE
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
1
Parte I: Memoria
2
3
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
4
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
5
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.
6
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, permitiendo realizar diseños de productos más
ligeros y pequeños con muy buenas características de funcionamiento.
Alta 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 reducir las pérdidas al máximo
es algo crítico para aumentar la autonomía.
Larga vida 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 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.
8
Comparación: ventajas y desventajas
Motor Brushless DC Motor DC con escobillas
Conmutación De tipo electrónica basada en sensores posición
Mediante escobillas
Mantenimiento Muy poco ya que carece de escobillas
Es requerido de forma periódica
Vida útil Mayor Menor
Característica par/velocidad
Permite funcionar con par nominal a lo largo de todo el rango de velocidades
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
Rendimiento Alto, debido a que no hay pérdidas en el rotor
Medio
Inercia del rotor Baja, mejorando la respuesta dinámica del motor
Media, empeorando la respuesta dinámica del motor
Rango de velocidad Alto, ya que no se encuentra limitado mecánicamente
Limitado debido al rozamiento de las escobillas
Coste de fabricación
Alto, debido al coste de los imanes permanentes del rotor
Alto, debido a baja demanda
Control Algo más complejo Algo más simple
Motor Brushless DC
Motor de Inducción Característica par/velocidad
Permite funcionar con par nominal a lo largo de todo el rango de velocidades
No lineal, poco par a bajas velocidades
Relación Potencia/tamaño Alta, gracias a los imanes del rotor se consigue un menor tamaño para una potencia dada
Moderado, ya que existen devanados tanto en el rotor como en el estator
Inercia del rotor Baja, mejorando la respuesta dinámica del motor
Baja aunque mayor que la de un motor brushless, resultando en una peor respuesta dinámica
Corriente de arranque La corriente nominal Bastante mayor que la corriente nominal
Deslizamiento Nulo entre el rotor y el estator
Existente, siendo este proporcional al par motor
Control Necesario siempre, costoso y complejo
No necesario a velocidad fija pero si en caso que se requiera velocidad variable
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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, 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
10
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.
12
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:
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
5. Esquema electromecánico del motor
13
Control de Velocidad
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
6. Diagrama de bloques del controlador
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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.
15
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.
16
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.
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
ENTRADAS SALIDAS
Sensor de corriente – Analógica PMW_A – Pwm
Sensor de efecto Hall #1 – Digital PWM_B – Pwm
Sensor de efecto Hall #2 – Digital PWM_C – Pwm
Sensor de efecto Hall #3 – Digital RESET_A – Digital
Control externo físico – Analógica RESET_B – Digital
RESET_C - Digital
17
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
18
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
19
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 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
20
-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 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 transductor corriente
16. Paquete del regulador de tensión
21
17.Esquemático del regulador de tensión
18.Esquemático del chip de potencia
19.Paquete del chip de potencia
22
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 precisión 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
23
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.
24
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:
25
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
26
-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
27
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 Referencia (RS-online)
Unidades
Borne de potencia 24A – 320V - 3
vías
TERMINAL_3VIAS 467-0366 1
Borne de potencia 24A – 320V - 2
vías
TERMINAL_2VIAS 467-0350 1
Texas Instruments DRV8332 DRV8332 738-5452 1
Regulador conmutación RECOM 9-72Vin -5Vout - 0.5A
DC_DC_CONVERTER
_SIP3
416-862 1
Regulador conmutación RECOM 17-
72Vin-12Vout-0.5A
DC_DC_CONVERTER
_SIP3
416-868 1
Transductor de corriente 15A - LEM
LTS-15NP
LEM_LTS_15_NP 499-5362 1
Condensador electrolítico 820µF, +-20%, 50V
C18_C19 526-1755 2
Resistencia 20kΩ , 1% R7 - 1
Resistencia 3.3Ω , 1% R8 - 1
Condensador cerámico multicapa 10nF, ±5%
C20 699-5147 1
Resistencia SMD 1206 10kΩ 0.25W 5%
R3 740-9110 1
Resistencia SMD 1206 1Ω 0.25W 1% R4 679-1897 1
Condensador SMD 1206 100nF 25V 10%
C5 669-8515 1
Condensador SMD 1206 470nF 16V 10%
C7 669-8467 1
Condensador SMD 1206 1µF 50V 10%
C8, C9, C10, C11 740-7593 4
Condensador SMD 1206 100nF 50V 10%
C12, C13, C14, C15, C16, C17
669-8408 6
Resistencia SMD 402 7.15KΩ 0.063W 0.1%
B1-B6 701-5591 6
Resistencia SMD 402 3.3KΩ 0.063W 0.1%
A1-A6 701-4974 6
6 pin Female/Male header strips - - 7
8 pin Female/Male header strips - - 5 27. Lista de componentes en la placa
28
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
29
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.
30
-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
31
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
32
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
33
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
34
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
35
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 software del fabricante
36
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.
37
A continuación se presentan unas imágenes de la placa resultante:
46. Vista superior de la placa
47. Vista inferior de la placa
38
39
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.
40
Detalles del programa y su funcionamiento
ENTRADAS SALIDAS
Sensor de corriente – Analógica PMW_A – Pwm
Sensor de efecto Hall #1 – Digital PWM_B – Pwm
Sensor de efecto Hall #2 – Digital PWM_C –Pwm
Sensor de efecto Hall #3 – Digital RESET_A – Digital
Control externo físico – Analógica 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
41
-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
42
las interrupciones en el programa, se ha utilizado la librería de interrupciones propia del
entorno de desarrollo de arduino.
43
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.
44
45
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. ATMEL AT91 ARM Thumb-based Microcontrollers, 2006
[5. ATME14] Atmel Corpotation. Atmel ATmega 640/V-1280/V-1281/V-2560/V-2561/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
46
47
Parte II: Co digo Fuente
48
#include "pwmc1.h" //Libreria PWM
#include <PID_v1.h> //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
49
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 : //pwm_write_duty( 6, pwm_duty=128 ); // 50% duty
cycle on Pin 6
//Para parar PWM : //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
pinMode(4,OUTPUT); // PWM_A Los pines escogidos para PWM_X son
verdaderos PWM
// desde los que conmuto a la frecuencia
configurada.
pinMode(6,OUTPUT); // PWM_B
pinMode(13,OUTPUT); // PWM_C
pinMode(5,OUTPUT); // 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:
50
//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
51
//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 );
52
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
53
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 );
54
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 );
55
pwm_write_duty( 6, 0 );
pwm_write_duty( 13, pwm_duty );
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(11, HIGH);
digitalWrite(12, HIGH);
break;
56
57
Parte III: Estudio econo mico del proyecto
58
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:
59
Componente
Referencia Unidades
por placa
Precio de 1 a 5 unidades por
unidad €
Precio a partir de
1000 unidades
Precio total 1
placa [€]
Precio total 1000 placas [€]
Borne de potencia 24A – 320V - 3 vías
467-0366 1 1,59 1,242 1,59 1,242
Borne de potencia 24A – 320V - 2 vías
467-0350 1 1,368 1,078 1,368 1,078
Texas Instruments DRV8332
738-5452 1 10,22 7,85 10,22 7,85
Regulador conmutación RECOM 9-72Vin -5Vout - 0.5A
416-862 1 11,48 8,7 11,48 8,7
Regulador conmutación RECOM 17-72Vin-12Vout-0.5A
416-868 1 12,14 9,2 12,14 9,2
Transductor de corriente 15A - LEM LTS-15NP
499-5362 1 14,11 12,42 14,11 12,42
Condensador electrolítico 820µF, +-20%, 50V
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
Condensador cerámico multicapa 10nF, ±5%
699-5147 1 1,096 0,996 1,096 0,996
Resistencia SMD 1206 10kΩ 0.25W 5%
740-9110 1 0,015 0,012 0,015 0,012
Resistencia SMD 1206 1Ω 0.25W 1%
679-1897 1 0,044 0,034 0,044 0,034
Condensador SMD 1206 100nF 25V 10%
669-8515 1 0,058 0,046 0,058 0,046
Condensador SMD 1206 470nF 16V 10%
669-8467 1 0,092 0,078 0,092 0,078
Condensador SMD 1206 1µF 50V 10%
740-7593 4 0,079 0,063 0,316 0,252
Condensador SMD 1206 100nF 50V 10%
669-8408 6 0,066 0,06 0,396 0,36
Resistencia SMD 402 7.15KΩ 0.063W 0.1%
701-5591 6 0,366 0,229 2,196 1,374
Resistencia SMD 402 3.3KΩ 0.063W 0.1%
701-4974 6 0,375 0,297 2,25 1,782
6 pin Female/Male header strips
- 7 0,5 0,5 3,5 3,5
8 pin Female/Male header strips
- 5 0,5 0,5 2,5 2,5
Total /placa 67,10 € 54,41 €
Total
67,10 €
54.413,00 €
49.*Precios de RS Componentes
60
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:
- Precio €
1 Placa 38,21 €
Transporte 9,91 €
Impuestos (21%) 10,10 €
Total 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 €
Precio por placa 0,93 €
Precio total placas 933,20 €
Transporte 33,02 €
Impuestos (21%) 202,7 €
Total por placa 1,17 €
Total 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€.
61
Parte IV: Anexos
62
63
Planos
64
+GND123
+
GND5V OUT
PLA
CA
CO
N P
LAN
OS
DE
TIE
RR
A - E
SC
ALA
1:1
C18
C19
C18
C19
C20
RECOMVinGNDVout
RECOMVinGNDVout R7_R8
R7_
R8
LEM
LTS
15-
NP
123
+GND123
+
GND5V OUT
VIS
TA G
EN
ER
AL
DE
LA
PLA
CA
- ES
CA
LA 2
:1
C18
C19
C18
C19
C20
RECOMVinGNDVout
RECOMVinGNDVout R7_R8
R7_
R8
LEM
LTS
15-
NP
123
+GND123
+
GND5V OUT
VIS
TA D
E P
ISTA
S S
UP
ER
IOR
ES
- E
SC
ALA
2:1
C18
C19
C18
C19
C20
RECOMVinGNDVout
RECOMVinGNDVout R7_R8
R7_
R8
LEM
LTS
15-
NP
123
VIS
TA D
E P
ISTA
S IN
FER
IOR
ES
- E
SC
ALA
2:1
C18
C19
C18
C19
C20
RECOMVinGNDVout
RECOMVinGNDVout R7_R8
R7_
R8
LEM
LTS
15-
NP
123
VIS
TA D
E L
OS
CO
MP
ON
EN
TES
- E
SC
ALA
2:1
C18
C19
C18
C19
C20
RECOMVinGNDVout
RECOMVinGNDVout R7_R8
R7_
R8
LEM
LTS
15-
NP
123
GVDD
GVDD
PVDD
M
Controller
RESET_A
PWM_B
OC_ADJ
GND
GND_A
GND_B
OUT_B
PVDD_B
AGND
VREG
M3
M2
BST_B
NC
NC
GND
RESET_C
RESET_B
VDD
GVDD_C
OUT_C
PVDD_C
BST_C
GVDD_C
PWM_C GND_C
M1 GND
GVDD_B
OTW
FAULT
PWM_A
GVDD_A
BST_A
PVDD_A
OUT_A
DRV8312DRV8332
www.ti.com SLES256C –MAY 2010–REVISED OCTOBER 2013
Three Phase PWM Motor DriverCheck for Samples: DRV8312, DRV8332
Because of the low RDS(on) of the power MOSFETs1FEATURESand intelligent gate drive design, the efficiency of• High-Efficiency Power Stage (up to 97%) with these motor drivers can be up to 97%, which enables
Low RDS(on) MOSFETs (80 mΩ at TJ = 25°C) the use of smaller power supplies and heatsinks, and• Operating Supply Voltage up to 50 V are good candidates for energy efficient applications.
(70 V Absolute Maximum) The DRV8312/32 require two power supplies, one at• DRV8312 (power pad down): up to 3.5 A 12 V for GVDD and VDD, and another up to 50 V for
Continuous Phase Current (6.5 A Peak) PVDD. The DRV8312/32 can operate at up to 500-kHz switching frequency while still maintain precise• DRV8332 (power pad up): up to 8 Acontrol and high efficiency. They also have anContinuous Phase Current ( 13 A Peak)innovative protection system safeguarding the device• Independent Control of Three Phases against a wide range of fault conditions that could
• PWM Operating Frequency up to 500 kHz damage the system. These safeguards are short-circuit protection, overcurrent protection, undervoltage• Integrated Self-Protection Circuits Includingprotection, and two-stage thermal protection. TheUndervoltage, Overtemperature, Overload, andDRV8312/32 have a current-limiting circuit thatShort Circuit prevents device shutdown during load transients such
• Programmable Cycle-by-Cycle Current Limit as motor start-up. A programmable overcurrentProtection detector allows adjustable current limit and protection
level to meet different motor requirements.• Independent Supply and Ground Pins for EachHalf Bridge The DRV8312/32 have unique independent supply
• Intelligent Gate Drive and Cross Conduction and ground pins for each half bridge, which makes itpossible to provide current measurement throughPreventionexternal shunt resistor and support half bridge drivers• No External Snubber or Schottky Diode iswith different power supply voltage requirements.Required
Simplified Application DiagramAPPLICATIONS• BLDC Motors• Three Phase Permanent Magnet Synchronous
Motors• Inverters• Half Bridge Drivers• Robotic Control Systems
DESCRIPTIONThe DRV8312/32 are high performance, integratedthree phase motor drivers with an advancedprotection system.
1
Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications ofTexas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet.
PRODUCTION DATA information is current as of publication date. Copyright © 2010–2013, Texas Instruments IncorporatedProducts conform to specifications per the terms of the TexasInstruments standard warranty. Production processing does notnecessarily include testing of all parameters.
DRV8312DRV8332
SLES256C –MAY 2010–REVISED OCTOBER 2013 www.ti.com
This integrated circuit can be damaged by ESD. Texas Instruments recommends that all integrated circuits be handled withappropriate 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 moresusceptible to damage because very small parametric changes could cause the device not to meet its published specifications.
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGSOver operating free-air temperature range unless otherwise noted (1)
VALUEVDD to GND –0.3 V to 13.2 VGVDD_X to GND –0.3 V to 13.2 VPVDD_X to GND_X (2) –0.3 V to 70 VOUT_X to GND_X (2) –0.3 V to 70 VBST_X to GND_X (2) –0.3 V to 80 VTransient peak output current (per pin), pulse width limited by internal over-current protection circuit. 16 ATransient peak output current for latch shut down (per pin) 20 AVREG to AGND –0.3 V to 4.2 VGND_X to GND –0.3 V to 0.3 VGND to AGND –0.3 V to 0.3 VPWM_X, RESET_X to GND –0.3 V to 4.2 VOC_ADJ, M1, M2, M3 to AGND –0.3 V to 4.2 VFAULT, OTW to GND –0.3 V to 7 VMaximum continuous sink current (FAULT, OTW) 9 mAMaximum operating junction temperature range, TJ -40°C to 150°CStorage temperature, TSTG –55°C to 150°C
(1) Stresses beyond those listed under Absolute Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. These are stress ratingsonly, and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated under Recommended OperatingConditions is not implied. Exposure to absolute-maximum-rated conditions for extended periods may affect device reliability.
(2) These voltages represent the dc voltage + peak ac waveform measured at the terminal of the device in all conditions.
RECOMMENDED OPERATING CONDITIONSMIN NOM MAX UNIT
PVDD_X Half bridge X (A, B, or C) DC supply voltage 0 50 52.5 VGVDD_X Supply for logic regulators and gate-drive circuitry 10.8 12 13.2 VVDD Digital regulator supply voltage 10.8 12 13.2 VIO_PULSE Pulsed peak current per output pin (could be limited by thermal) 15 AIO Continuous current per output pin (DRV8332) 8 AFSW PWM switching frequency 500 kHzROCP_CBC OC programming resistor range in cycle-by-cycle current limit modes 22 200 kΩROCP_OCL OC programming resistor range in OC latching shutdown modes 19 200 kΩCBST Bootstrap capacitor range 33 220 nFTON_MIN Minimum PWM pulse duration, low side 50 nSTA Operating ambient temperature -40 85 (1) °C
(1) Depending on power dissipation and heat-sinking, the DRV8312/32 can support ambient temperature in excess of 85°C. Refer to thepackage heat dissipation ratings table and package power deratings table.
2 Submit Documentation Feedback Copyright © 2010–2013, Texas Instruments Incorporated
Product Folder Links: DRV8312 DRV8332
DRV8312DRV8332
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PACKAGE HEAT DISSIPATION RATINGSPARAMETER DRV8312 DRV8332
RθJC, junction-to-case (power pad / heat slug) 1.1 °C/W 0.9 °C/Wthermal resistanceThis device is not intended to be usedwithout a heatsink. Therefore, RθJA is notRθJA, junction-to-ambient thermal resistance 25 °C/W specified. See the Thermal Informationsection.
Exposed power pad / heat slug area 34 mm2 80 mm2
PACKAGE POWER DERATINGS (DRV8312) (1)
DERATINGTA = 25°C FACTOR TA = 70°C POWER TA = 85°C POWER TA = 125°C POWERPACKAGE POWER ABOVE TA = RATING RATING RATINGRATING 25°C44-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 OUTPUT DESCRIPTIONCONFIGURATIONM3 M2 M11 0 0 1 3PH or 3 HB Three-phase or three half bridges with cycle-by-cycle current limit
Three-phase or three half bridges with OC latching shutdown (no cycle-by-1 0 1 1 3PH or 3 HB cycle current limit)0 x x Reserved1 1 x Reserved
Copyright © 2010–2013, Texas Instruments Incorporated Submit Documentation Feedback 3
Product Folder Links: DRV8312 DRV8332
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
GVDD_C
VDD
NC
NC
PWM_C
RESET_C
RESET_B
OC_ADJ
GND
AGND
VREG
M3
M2
M1
PWM_B
RESET_A
PWM_A
NC
FAULT
NC
OTW
GVDD_B
DRV8312DDW Package
(Top View)
GVDD_C
BST_C
NC
PVDD_C
PVDD_C
OUT_C
GND_C
GND
GND
NC
NC
BST_B
PVDD_B
OUT_B
GND_B
GND_A
OUT_A
PVDD_A
PVDD_A
NC
BST_A
GVDD_A
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
12
13
14
15
16
17
18
36
35
34
33
32
31
30
29
28
26
27
25
24
23
22
21
20
19
GVDD_B
FAULT
RESET_A
RESET_C
PWM_B
PWM_C
RESET_B
OTW
GND
PWM_A
AGND
OC_ADJ
VREG
VDD
GVDD_C
M3
M2
M1
GVDD_A
BST_A
PVDD_A
OUT_A
GND_A
GND_B
OUT_B
PVDD_B
BST_B
NC
NC
GND
GND
GND_C
OUT_C
PVDD_C
BST_C
GVDD_C
DRV8332DKD Package
(Top View)
DRV8312DRV8332
SLES256C –MAY 2010–REVISED OCTOBER 2013 www.ti.com
DEVICE INFORMATION
Pin AssignmentHere 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.
Pin Functions
PINFUNCTION (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
3,4,19,20,25,34,35NC 26,27 - No connection pin. Ground connection is recommended,42
OC_ADJ 14 7 O Analog overcurrent programming pin, requires resistor to AGND
(1) I = input, O = output, P = power, T = thermal
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DRV8312DRV8332
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PINFUNCTION (1) DESCRIPTION
NAME DRV8312 DRV8332
Overtemperature warning signal, open-drain, active-low. An internal pull-up resistorOTW 21 2 O 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 signal, open-drain, active-low. An internal pull-up resistor to VREG (3.3 V) isFAULT 18 3 O provided on output. Level compliance for 5-V logic can be obtained by adding
external pull-up resistor to 5 V
Power supply for digital voltage regulator requires capacitor to ground forVDD 2 17 P decoupling.
VREG 11 10 P Digital regulator supply filter pin requires 0.1-μF capacitor to AGND.
Solder the exposed thermal pad at the bottom of the DRV8312DDW package to theTHERMAL PAD -- N/A T landing pad on the PCB. Connect the landing pad through vias to large ground
plate for better thermal dissipation.
Mount heatsink with thermal interface to the heat slug on the top of theHEAT SLUG N/A -- T DRV8332DKD package to improve thermal dissipation.
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Temp.
Sense
M1
M2
RESET_A
FAULT
OTW
AGND
OC_ADJ
VREG VREG
VDD
M3
Power
On
Reset
Under-
voltage
Protection
GND
PWM_C OUT_C
GND_C
PVDD_C
BST_C
TimingGate
Drive
PWM
Rcv.
Overload
ProtectionIsense
GVDD_C
RESET_B
4
Protection
and
I/O Logic
PWM_B OUT_B
GND_B
PVDD_B
BST_B
TimingGate
DriveCtrl.
PWM
Rcv.
GVDD_B
PWM_A OUT_A
GND_A
PVDD_A
BST_A
TimingGate
DriveCtrl.
PWM
Rcv.
GVDD_A
Ctrl.
Internal Pullup
Resistors to VREG
4
RESET_C
DRV8312DRV8332
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SYSTEM BLOCK DIAGRAM
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DRV8312DRV8332
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ELECTRICAL CHARACTERISTICSTA = 25 °C, PVDD = 50 V, GVDD = VDD = 12 V, fSw = 400 kHz, unless otherwise noted. All performance is in accordancewith recommended operating conditions unless otherwise specified.
PARAMETER TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNIT
Internal Voltage Regulator and Current Consumption
VREG Voltage regulator, only used as a reference node VDD = 12 V 2.95 3.3 3.65 V
Idle, reset mode 9 12 mAIVDD VDD supply current
Operating, 50% duty cycle 10.5
Reset mode 1.7 2.5 mAIGVDD_X Gate supply current per half-bridge
Operating, 50% duty cycle 8
IPVDD_X Half-bridge X (A, B, or C) idle current Reset mode 0.7 1 mA
Output Stage
MOSFET drain-to-source resistance, low side (LS) TJ = 25°C, GVDD = 12 V 80 mΩRDS(on)
MOSFET drain-to-source resistance, high side (HS) TJ = 25°C, GVDD = 12 V 80 mΩ
VF Diode forward voltage drop TJ = 25°C - 125°C, IO = 5 A 1 V
tR Output rise time Resistive load, IO = 5 A 14 nS
tF Output fall time Resistive load, IO = 5 A 14 nS
tPD_ON Propagation delay when FET is on Resistive load, IO = 5 A 38 nS
tPD_OFF Propagation delay when FET is off Resistive load, IO = 5 A 38 nS
tDT Dead time between HS and LS FETs Resistive load, IO = 5 A 5.5 nS
I/O Protection
Gate supply voltage GVDD_X undervoltageVuvp,G 8.5 Vprotection threshold
Vuvp,hyst(1) Hysteresis for gate supply undervoltage event 0.8 V
OTW (1) Overtemperature warning 115 125 135 °C
OTWhyst(1) Hysteresis temperature to reset OTW event 25 °C
OTSD (1) Overtemperature shut down 150 °C
OTE- OTE-OTW overtemperature detect temperature 25 °COTWdifferential(1) difference
Hysteresis temperature for FAULT to be releasedOTSDHYST(1) 25 °Cfollowing an OTSD event
IOC Overcurrent limit protection Resistor—programmable, nominal, ROCP = 27 kΩ 9.7 A
Time from application of short condition to Hi-Z ofIOCT Overcurrent response time 250 nsaffected FET(s)
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
PWM_A, PWM_B, PWM_C, M1, M2, M3,VIL Low-level input voltage 0.8 VRESET_A, RESET_B, RESET_C
llkg Input leakage current -100 100 μA
OTW / FAULT
Internal pullup resistance, OTW to VREG, FAULT toRINT_PU 20 26 35 kΩVREG
Internal pullup resistor only 2.95 3.3 3.65VOH High-level output voltage V
External pullup of 4.7 kΩ to 5 V 4.5 5
VOL Low-level output voltage IO = 4 mA 0.2 0.4 V
(1) Specified by design
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1.6
0.4
0.6
0.8
1.0
T – Junction Temperature – CJo
No
rmalized
R/ (R
at
25
C)
DS
(on
)D
S(o
n)
o
8040 120–40 6020–20 0 100
1.2
1.4
140
GVDD = 12 V
–1
5
0
1
2
3
V – Voltage – V
I–
Cu
rren
t–
A
1.20.80 10.60.2 0.4
4
6
T = 25°CJ
0
100
40
50
60
70
80
90
Eff
icie
ncy
–%
f – Switching Frequency – kHz
0 100 150 200 250 300 350 400 450 50050
10
20
30
Load = 5 APVDD = 50 VT = 75°C
Full Bridge
C
1.10
0.96
1.00
0.98
1.02
1.04
GVDD – Gate Drive – V
No
rmalized
R/ (R
at
12 V
)D
S(o
n)
DS
(on
)11.010.08.0 10.59.58.5 9.0 11.5
1.06
1.08
12
T = 25°CJ
DRV8312DRV8332
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TYPICAL CHARACTERISTICSEFFICIENCY NORMALIZED RDS(on)
vs vsSWITCHING FREQUENCY (DRV8332) GATE DRIVE
Figure 1. Figure 2.
NORMALIZED RDS(on)vs DRAIN TO SOURCE DIODE FORWARD
JUNCTION TEMPERATURE ON CHARACTERISTICS
Figure 3. Figure 4.
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0
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ou
tpu
t D
uty
Cycle
–%
Input Duty Cycle – %
9060 1000 70402010 30 50 80
f = 500 kHz
T = 25°CS
C
DRV8312DRV8332
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TYPICAL CHARACTERISTICS (continued)OUTPUT DUTY CYCLE
vsINPUT DUTY CYCLE
Figure 5.
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THEORY OF OPERATION
Special attention should be paid to the power-stagePOWER SUPPLIES power supply; this includes component selection,PCB placement, and routing. As indicated, each half-To facilitate system design, the DRV8312/32 needbridge has independent power-stage supply pinonly a 12-V supply in addition to H-Bridge power(PVDD_X). For optimal electrical performance, EMIsupply (PVDD). An internal voltage regulator providescompliance, and system reliability, it is important thatsuitable voltage levels for the digital and low-voltageeach PVDD_X pin is decoupled with a ceramicanalog circuitry. Additionally, the high-side gate drivecapacitor (X5R or better) placed as close as possiblerequiring a floating voltage supply, which isto each supply pin. It is recommended to follow theaccommodated by built-in bootstrap circuitry requiringPCB layout of the DRV8312/32 EVM board.external bootstrap capacitor.The 12-V supply should be from a low-noise, low-To provide symmetrical electrical characteristics, theoutput-impedance voltage regulator. Likewise, the 50-PWM signal path, including gate drive and outputV power-stage supply is assumed to have low outputstage, is designed as identical, independent half-impedance and low noise. The power-supplybridges. For this reason, each half-bridge has asequence is not critical as facilitated by the internalseparate gate drive supply (GVDD_X), a bootstrappower-on-reset circuit. Moreover, the DRV8312/32pin (BST_X), and a power-stage supply pinare fully protected against erroneous power-stage(PVDD_X). Furthermore, an additional pin (VDD) isturn-on due to parasitic gate charging. Thus, voltage-provided as supply for all common circuits. Specialsupply ramp rates (dv/dt) are non-critical within theattention should be paid to place all decouplingspecified voltage range (see the Recommendedcapacitors as close to their associated pins asOperating Conditions section of this data sheet).possible. In general, inductance between the power
supply pins and decoupling capacitors must beavoided. Furthermore, decoupling capacitors need a SYSTEM POWER-UP/POWER-DOWNshort ground path back to the device. SEQUENCEFor a properly functioning bootstrap circuit, a small Powering Upceramic capacitor (an X5R or better) must beconnected from each bootstrap pin (BST_X) to the The DRV8312/32 do not require a power-uppower-stage output pin (OUT_X). When the power- sequence. The outputs of the H-bridges remain in astage output is low, the bootstrap capacitor is high impedance state until the gate-drive supplycharged through an internal diode connected voltage GVDD_X and VDD voltage are above thebetween the gate-drive power-supply pin (GVDD_X) undervoltage protection (UVP) voltage threshold (seeand the bootstrap pin. When the power-stage output the Electrical Characteristics section of this datais high, the bootstrap capacitor potential is shifted sheet). Although not specifically required, holdingabove the output potential and thus provides a RESET_A, RESET_B, and RESET_C in a low statesuitable voltage supply for the high-side gate driver. while powering up the device is recommended. ThisIn an application with PWM switching frequencies in allows an internal circuit to charge the externalthe range from 10 kHz to 500 kHz, the use of 100-nF bootstrap capacitors by enabling a weak pulldown ofceramic capacitors (X5R or better), size 0603 or the half-bridge output.0805, is recommended for the bootstrap supply.These 100-nF capacitors ensure sufficient energy Powering Downstorage, even during minimal PWM duty cycles, to The DRV8312/32 do not require a power-downkeep the high-side power stage FET fully turned on sequence. The device remains fully operational asduring the remaining part of the PWM cycle. In an long as the gate-drive supply (GVDD_X) voltage andapplication running at a switching frequency lower VDD voltage are above the UVP voltage thresholdthan 10 kHz, the bootstrap capacitor might need to be (see the Electrical Characteristics section of this dataincreased in value. sheet). Although not specifically required, it is a good
practice to hold RESET_A, RESET_B and RESET_Clow during power down to prevent any unknown stateduring this transition.
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Bootstrap Capacitor Under Voltage ProtectionERROR REPORTINGWhen the device runs at a low switching frequencyThe FAULT and OTW pins are both active-low, open-(e.g. less than 10 kHz with a 100-nF bootstrapdrain outputs. Their function is for protection-modecapacitor), the bootstrap capacitor voltage might notsignaling to a PWM controller or other system-controlbe able to maintain a proper voltage level for thedevice.high-side gate driver. A bootstrap capacitor
Any fault resulting in device shutdown, such as undervoltage protection circuit (BST_UVP) willovertemperatue shut down, overcurrent shut-down, or prevent potential failure of the high-side MOSFET.undervoltage protection, is signaled by the FAULT pin When the voltage on the bootstrap capacitors is lessgoing low. Likewise, OTW goes low when the device than the required value for safe operation, thejunction temperature exceeds 125°C (see Table 1). DRV8312/32 will initiate bootstrap capacitor recharge
sequences (turn off high side FET for a short period)Table 1. Protection Mode Signal Descriptions until the bootstrap capacitors are properly charged for
safe operation. This function may also be activatedFAULT OTW DESCRIPTIONwhen PWM duty cycle is too high (e.g. less than 200 0 Overtemperature warning andns off time at 10 kHz). Note that bootstrap capacitor(overtemperature shut down or overcurrent
shut down or undervoltage protection) occurred might not be able to be charged if no load orextremely light load is presented at output during0 1 Overcurrent shut-down or GVDD undervoltage
protection occurred BST_UVP operation, so it is recommended to turn onthe low side FET for at least 50 ns for each PWM1 0 Overtemperature warningcycle to avoid BST_UVP operation if possible.1 1 Device under normal operation
For applications with lower than 10 kHz switchingTI recommends monitoring the OTW signal using the frequency and not to trigger BST_UVP protection, asystem microcontroller and responding to an OTW larger bootstrap capacitor can be used (e.g., 1 uF capsignal by reducing the load current to prevent further for 800 Hz operation). When using a bootstrap capheating of the device resulting in device larger than 220 nF, it is recommended to add 5 ohmovertemperature shutdown (OTSD). resistors between 12V GVDD power supply and
GVDD_X pins to limit the inrush current on theTo reduce external component count, an internalinternal bootstrap diodes.pullup resistor to internal VREG (3.3 V) is provided on
both FAULT and OTW outputs. Level compliance for5-V logic can be obtained by adding external pull-up Overcurrent (OC) Protectionresistors to 5 V (see the Electrical Characteristics
The DRV8312/32 have independent, fast-reactingsection of this data sheet for further specifications).current detectors with programmable trip threshold(OC threshold) on all high-side and low-side power-DEVICE PROTECTION SYSTEM stage FETs. There are two settings for OC protection
The DRV8312/32 contain advanced protection through mode selection pins: cycle-by-cycle (CBC)circuitry carefully designed to facilitate system current limiting mode and OC latching (OCL) shutintegration and ease of use, as well as to safeguard down mode.the device from permanent failure due to a wide In CBC current limiting mode, the detector outputsrange of fault conditions such as short circuits, are monitored by two protection systems. The firstovercurrent, overtemperature, and undervoltage. The protection system controls the power stage in order toDRV8312/32 respond to a fault by immediately prevent the output current from further increasing,setting the half bridge outputs in a high-impedance i.e., it performs a CBC current-limiting function rather(Hi-Z) state and asserting the FAULT pin low. In than prematurely shutting down the device. Thissituations other than overcurrent or overtemperature, feature could effectively limit the inrush current duringthe device automatically recovers when the fault motor start-up or transient without damaging thecondition has been removed or the gate supply device. During short to power and short to groundvoltage has increased. For highest possible reliability, conditions, the current limit circuitry might not be ablereset the device externally no sooner than 1 second to control the current to a proper level, a secondafter the shutdown when recovering from an protection system triggers a latching shutdown,overcurrent shut down (OCSD) or OTSD fault. resulting in the related half bridge being set in the
high-impedance (Hi-Z) state. Current limiting andovercurrent protection are independent for half-bridges A, B, and C, respectively.
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Figure 6 illustrates cycle-by-cycle operation with high It should be noted that a properly functioningside OC event and Figure 7 shows cycle-by-cycle overcurrent detector assumes the presence of aoperation with low side OC. Dashed lines are the proper inductor or power ferrite bead at the power-operation waveforms when no CBC event is triggered stage output. Short-circuit protection is notand solide lines show the waveforms when CBC guaranteed with direct short at the output pins of theevent is triggered. In CBC current limiting mode, power stage.when low side FET OC is detected, devcie will turnoff the affected low side FET and keep the high side Overtemperature ProtectionFET at the same half brdige off until next PWM cycle; The DRV8312/32 have a two-level temperature-when high side FET OC is detected, devcie will turn protection system that asserts an active-low warningoff the affected high side FET and turn on the low signal (OTW) when the device junction temperatureside FET at the half brdige until next PWM cycle. exceeds 125°C (nominal) and, if the device junctionIn OC latching shut down mode, the CBC current limit temperature exceeds 150°C (nominal), the device isand error recovery circuitries are disabled and an put into thermal shutdown, resulting in all half-bridgeovercurrent condition will cause the device to outputs being set in the high-impedance (Hi-Z) stateshutdown. After shutdown, RESET_A, RESET_B, and FAULT being asserted low. OTSD is latched inand RESET_C must be asserted to restore normal this case and RESET_A, RESET_B, and RESET_Coperation after the overcurrent condition is removed. must be asserted low to clear the latch.
For added flexibility, the OC threshold is Undervoltage Protection (UVP) and Power-Onprogrammable using a single external resistor Reset (POR)connected between the OC_ADJ pin and AGND pin.
The UVP and POR circuits of the DRV8312/32 fullySee Table 2 for information on the correlationprotect the device in any power-up / down andbetween programming-resistor value and the OCbrownout situation. While powering up, the PORthreshold.circuit resets the overcurrent circuit and ensures thatall circuits are fully operational when the GVDD_XTable 2. Programming-Resistor Values and OC
Threshold and VDD supply voltages reach 9.8 V (typical).Although GVDD_X and VDD are independentlyOC-ADJUST RESISTOR MAXIMUM CURRENT BEFORE monitored, a supply voltage drop below the UVPVALUES (kΩ) OC OCCURS (A)threshold on any VDD or GVDD_X pin results in all19 (1) 13.2 half-bridge outputs immediately being set in the high-
22 11.6 impedance (Hi-Z) state and FAULT being asserted24 10.7 low. The device automatically resumes operation
when all supply voltage on the bootstrap capacitors27 9.7have increased above the UVP threshold.30 8.8
36 7.4 DEVICE RESET39 6.9
Three reset pins are provided for independent control43 6.3of half-bridges A, B, and C. When RESET_X is47 5.8 asserted low, two power-stage FETs in half-bridges X
56 4.9 are forced into a high-impedance (Hi-Z) state.68 4.1
A rising-edge transition on reset input allows the82 3.4 device to resume operation after a shut-down fault.100 2.8 That is, when half-bridge X has OC shutdown in CBC120 2.4 mode, a low to high transition of RESET_X pin will
clear the fault and FAULT pin. When an OTSD or OC150 1.9shutdown in Latching mode occurs, all three200 1.4RESET_A, RESET_B, and RESET_C need to have alow to high transition to clear the fault and reset
(1) Recommended to use in OC Latching Mode Only FAULT signal.
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PWM_HS
PWM_LS
Load
Current
Current Limit
T_HS T_OC
PVDD
GND_X
PWM_HS
PWM_LS
Load
T_LS
CBC with High Side OCDuring T_OC Period
DRV8312DRV8332
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DIFFERENT OPERATIONAL MODES Figure 11 shows six steps trapezoidal scheme withhall sensor control and Figure 12 shows six stepsThe DRV8312/32 support two different modes of trapezoidal scheme with sensorless control. The halloperation: sensor sequence in real application might be different
1. Three-phase (3PH) or three half bridges (HB) than the one we showed in Figure 11 depending onwith CBC current limit the motor used. Please check motor manufacture
datasheet for the right sequence in applications. In2. Three-phase or three half bridges with OCsix step trapezoidal complementary control scheme, alatching shutdown (no CBC current limit)half bridge with larger than 50% duty cycle will have apositive current and a half bridge with less than 50%Because each half bridge has independent supplyduty cycle will have a negative current. For normaland ground pins, a shunt sensing resistor can beoperation, changing PWM duty cycle from 50% toinserted between PVDD to PVDD_X or GND_X to100% will adjust the current from 0 to maximum valueGND (ground plane). A high side shunt resistorwith six steps control. It is recommanded to apply abetween PVDD and PVDD_X is recommended forminimum 50ns to 100 nS PWM pulse at eachdifferential current sensing because a high biasswitching cycle at lower side to properly charge thevoltage on the low side sensing could affect devicebootstrap cap. The impact of minimum pulse at lowoperation. If low side sensing has to be used, a shuntside FET is pretty small, e.g., the maximum dutyresistor value of 10 mΩ or less or sense voltage 100cycle is 99.9% with 100ns minimum pulse on lowmV or less is recommended.side. RESET_Xpin can be used to get channel X into
Figure 8 and Figure 9 show the three-phase high impedance mode. If you prefer PWM switchingapplication examples, and Figure 10 shows how to one channel but hold low side FET of the otherconnect to DRV8312/32 with some simple logic to channel on (and third channel in Hi-Z) for 2-quadrantaccommodate conventional 6 PWM inputs control. mode, OT latching shutdown mode is recommended
to prevent the channel with low side FET on stuck inWe recommend using complementary controlHi-Z during OC event in CBC mode.scheme for switching phases to prevent circulated
energy flowing inside the phases and to make currentThe DRV8312/32 can also be used for sinusoidallimiting feature active all the time. Complementarywaveform control and field oriented control. Pleasecontrol scheme also forces the current flowingcheck TI website MCU motor control library forthrough sense resistors all the time to have a bettercontrol algorithms.current sensing and control of the system.
Figure 6. Cycle-by-Cycle Operation with High Side OC (dashed line: normal operation; solid line: CBCevent)
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GVDD
GVDD
PVDD
PVDD
1000 Fm
Loc
Loc
Loc
3.3
10 nF
100 nF
100 nF
100 nF
1 Fm
1 Fm
1 Fm
100 nF
47 Fm
330 Fm
Roc_adj
Controller
(MSP430
C2000 or
Stellaris MCU)
RESET_A
PWM_B
OC_ADJ
GND
GND_A
GND_B
OUT_B
PVDD_B
AGND
VREG
M3
M2
BST_B
NC
NC
GND
RESET_C
PWM_C
VDD
GVDD_C
OUT_C
PVDD_C
BST_C
GVDD_C
RESET_B GND_C
M1 GND
GVDD_B
OTW
FAULT
PWM_A
GVDD_A
BST_A
PVDD_A
OUT_A
100nF
100nF
100nF
MRsense_B
Rsense_C
Rsense_A
1
Rsense_x
or
Vsense < 100 mV
£ 10 mW
DRV83321 Fm
PWM_HS
PWM_LS
Load
Current
Current Limit
CBC with Low Side OC
T_LS T_OC
PVDD
GND_X
During T_OC Period
PWM_HS
PWM_LS
Load
T_HS
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Figure 7. Cycle-by-Cycle Operation with Low Side OC (dashed line: normal operation; solid line: CBCevent)
Figure 8. DRV8332 Application Diagram for Three-Phase Operation
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PVDD
OUT_A
PWM_A
PWM_B
OUT_CRESET_A
GND_A
MOTOR
PWM_C
GND_BGND_C
RESET_C
RESET_B
PWM_AH
PWM_CH
PWM_BH
PWM_AL
PWM_CL
PWM_BL
Controller
OUT_B
OTW BST_A
GVDD
GVDD
PVDD
PVDD
1000 Fm
Loc
Loc
Loc
3.3
10 nF
100 nF
100 nF
100 nF
1 Fm
1 Fm
1 Fm
47 Fm
330 Fm
Controller
(MSP430
C2000 or
Stellaris MCU)
RESET_A
PWM_B
OC_ADJ
GND
GND_A
GND_B
OUT_B
PVDD_B
AGND
VREG
M3
M2
BST_B
NC
NC
GND
RESET_C
PWM_C
NC
NC
OUT_C
PVDD_C
PVDD_C
NC
RESET_B GND_C
M1 GND
NC
NC
FAULT
PWM_A
NC
PVDD_A
PVDD_A
OUT_A
100nF
100nF
100nF
MRsense_B
Rsense_C
Rsense_A
Rsense_x
or
Vsense < 100 mV
£ 10 mW
GVDD_B GVDD_A
VDD BST_C
GVDD_C GVDD_C
DRV8312
100 nF
Roc_adj
1
1 Fm
DRV8312DRV8332
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Figure 9. DRV8312 Application Diagram for Three-Phase Operation
Figure 10. Control Signal Logic with Conventional 6 PWM Input Scheme
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PWM_A
PWM_B
PWM_C
Phase Current A
Phase Current B
Phase Current C
Hall Sensor H1
Hall Sensor H2
Hall Sensor H3
S1 S6S5S4S3S2 S1 S6S5S4S3S2
PWM= 100% PWM=75%
360o
360o
RESET_A
RESET_B
RESET_C
DRV8312DRV8332
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Figure 11. Hall Sensor Control with 6 Steps Trapezoidal Scheme
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PWM_A
PWM_B
PWM_C
Phase A
Current and Voltage
Phase B
Current and Voltage
Phase C
Current and Voltage
Back EMF (Vab)
Ia
Ib
Ic
Va
Vb
Vc
PWM= 100% PWM= 75%
S1 S6S5S4S3S2 S1 S6S5S4S3S2
Back EMF (Vbc)
Back EMF (Vca)
360o
360o
0V
0V
0V
0A
0A
0A
0V
0V
0V
RESET_A
RESET_B
RESET_C
DRV8312DRV8332
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Figure 12. Sensorless Control with 6 Steps Trapezoidal Scheme
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DRV8312DRV8332
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APPLICATION INFORMATION
SYSTEM DESIGN RECOMMENDATIONS
Voltage of Decoupling CapacitorThe 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 capacitorshould use ceramic capacitor with X5R or better rating. For a 50-V application, a minimum voltage rating of 63 Vis recommended.
Current Requirement of 12V Power SupplyThe DRV8312/32 require a 12V power supply for GVDD and VDD pins. The total supply current is pretty low atroom temp (less than 50mA), but the current could increase significantly when the device temperature goes toohigh (e.g. above 125°C), especially at heave load conditions due to substrate current collection by 12V guardrings. So it is recommended to design the 12V power supply with current capability at least 5-10% of your loadcurrent and no less than 100mA to assure the device performance across all temperature range.
VREG PinThe VREG pin is used for internal logic and should not be used as a voltage source for external circuitries. Thecapacitor on VREG pin should be connected to AGND.
VDD PinThe transient current in VDD pin could be significantly higher than average current through VDD pin. A lowresistive path to GVDD should be used. A 22-µF to 47-µF capacitor should be placed on VDD pin beside the100-nF to 1-µF decoupling capacitor to provide a constant voltage during transient.
OTW PinOTW reporting indicates the device approaching high junction temperature. This signal can be used with MCU todecrease 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 pullupresistor connecting to an internal 3.3V to reduce external component count. For 5V logic, an external pull upresistor to 5V is needed.
FAULT PinThe FAULT pin reports any fault condition resulting in device shut down. No external pull up resistor or 3.3Vpower supply is needed for 3.3V logic. The FAULT pin has an internal pullup resistor connecting to an internal3.3V to reduce external component count. For 5V logic, an external pull upresistor to 5V is needed.
OC_ADJ PinFor accurate control of the overcurrent protection, the OC_ADJ pin has to be connected to AGND through an OCadjust resistor.
PWM_X and RESET_X PinsIt is recommanded to connect these pins to either AGND or GND when they are not used, and these pins onlysupport 3.3V logic.
Mode Select PinsMode select pins (M1, M2, and M3) should be connected to either VREG (for logic high) or AGND for logic low. Itis not recommended to connect mode pins to board ground if 1-Ω resistor is used between AGND and GND.
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__min
PVDD Toc delayLoc
Ipeak Iave
×
=
-
DRV8312DRV8332
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Output Inductor SelectionFor 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 additionaloutput inductors are needed during normal operation.
However during a short condition, the motor (or other load) could be shorted, so the load inductance might notpresent in the system anymore; the current in short condition can reach such a high level that may exceed theabs max current rating due to extremely low impendence in the short circuit path and high di/dt before ocdetection circuit kicks in. So a ferrite bead or inductor is recommended to utilize the short circuit protectionfeature in DRV8312/32. With an external inductor or ferrite bead, the current will rise at a much slower rate andreach a lower current level before oc protection starts. The device will then either operate CBC current limit orOC 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 ratingof ferrite bead has to be higher than the RMS current of the system at normal operation. A ferrite bead designedfor very high frequency is NOT recommended. A minimum impedance of 10 Ω or higher is recommended at 10MHz 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 tomeet short circuit conditions in the DRV8312. But other ferrite beads that have similar frequency characteristicscan be used as well.
For higher power applications, such as in the DRV8332, there might be limited options to select suitable ferritebead with high current rating. If an adequate ferrite bead cannot be found, an inductor can be used.
The inductance can be calculated as:
(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 aninductor with a doubled value or an inductor with a current rating well above the operating condition.
PCB LAYOUT RECOMMENDATION
PCB Material RecommendationFR-4 Glass Epoxy material with 2 oz. copper on both top and bottom layer is recommended for improved thermalperformance (better heat sinking) and less noise susceptibility (lower PCB trace inductance).
Ground PlaneBecause of the power level of these devices, it is recommended to use a big unbroken single ground plane forthe whole system / board. The ground plane can be easily made at bottom PCB layer. In order to minimize theimpedance and inductance of ground traces, the traces from ground pins should keep as short and wide aspossible before connected to bottom ground plane through vias. Multiple vias are suggested to reduce theimpedance of vias. Try to clear the space around the device as much as possible especially at bottom PCB sideto improve the heat spreading.
Decoupling CapacitorHigh frequency decoupling capacitors (100 nF) should be placed close to PVDD_X pins and with a short groundreturn path to minimize the inductance on the PCB trace.
AGNDAGND is a localized internal ground for logic signals. A 1-Ω resistor is recommended to be connected betweenGND and AGND to isolate the noise from board ground to AGND. There are other two components areconnected to this local ground: 0.1-µF capacitor between VREG to AGND and Roc_adj resistor betweenOC_ADJ and AGND. Capacitor for VREG should be placed close to VREG and AGND pins and connectedwithout vias.
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DRV8312DRV8332
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Current Shunt ResistorIf current shunt resistor is connected between GND_X to GND or PVDD_X to PVDD, make sure there is only onesingle path to connect each GND_X or PVDD_X pin to shunt resistor, and the path is short and symmetrical oneach sense path to minimize the measurement error due to additional resistance on the trace.
PCB LAYOUT EXAMPLEAn example of the schematic and PCB layout of DRV8312 are shown in Figure 13, Figure 14, and Figure 15.
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GN
D
GN
D
GN
D
Ora
ng
e
Ora
ng
e
Ora
ng
e
Ora
ng
e
Ora
ng
e
GN
D
GN
D
GV
DD
GN
D
GV
DD
GV
DD
GN
D
GN
D
GN
DG
ND
0.1
ufd
/10
0V
08
05
C37
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ufd
/10
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08
05
C43
0.1
ufd
/10
0V
08
05
C46
23 1
S1
132
RS
TB
47
K0
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3
R37
0.1
ufd
/16
V
06
03
C33 1
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03
C35
1.0
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V
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03
C34
1.0
ufd
/16
V
06
03
C30
30
oh
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80
5
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oh
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A0
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oh
ms/6
A0
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5
L4
47
ufd
/16
VMC
31
+
1.0
ufd
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V
06
03
C32
PV
DD
49
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3
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10
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pfd
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06
03
C50
GN
DG
ND
PV
DD
PV
DD
OU
TC
OU
TB
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TA
10
.0K
06
03
R38
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60
3
R43
10
00
pfd
/10
0V
06
03
C56
GN
DG
ND
10
.0K
06
03
R42
49
90
60
3
R45
10
00
pfd
/10
0V
06
03
C55
10
.0K
06
03
R44
+3.3
V
GN
D
0.1
ufd
/16
V
06
03
C23
33
1/8
W0
80
5
R18
93
10
60
3
R34
93
10
60
3
R35
61
90
60
3
R29
61
90
60
3
R30
93
10
60
3
R33
0.0
06
03
R21
0.0
06
03
R22
0.0
06
03
R23
1.0
1/4
W0
80
5
R36
0.1
ufd
/10
0V
08
05
C36
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ufd
/10
0V
08
05
C42
0.1
ufd
/10
0V
08
05
C45
61
90
60
3
R31
Ora
ng
eOU
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Ora
ng
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0.0
11
W1
20
6
R50
15
.4K
06
03
R49
15
.4K
06
03
R55
15
.4K
06
03
R54
22
0p
fd/5
0V
06
03
C20
22
0p
fd/5
0V
06
03
C21
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0p
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0V
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03
C22
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03
C27
22
0p
fd/5
0V
06
03
C26
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06
03
C28
10
.2K
06
03
R25
10
.2K
06
03
R26
10
.2K
06
03
R27
10
00
pfd
/50
V0
60
3
C60
GN
DG
ND
10
00
pfd
/50
V0
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3
C59
10
00
pfd
/50
V0
60
3
C58
HT
SS
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44
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W
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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25
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28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
DR
V8312D
DW
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Po
we
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d
GN
D
61
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3
R28
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3
R32
15
.4K
06
03
R48
22
0p
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06
03
C19
22
0p
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06
03
C25
10
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pfd
/50
V0
60
3
C57
1
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3M1
23 1
RS
TC
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W1
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R53
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11
W1
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6
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GN
D
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R51
10
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06
03
R24
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06
03
R20
30
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06
03
R41
GN
D
30
.1K
06
03
R40
GN
D
+2.5
V
+2.5
V
+2.5
V
+2.5
V
30
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06
03
R16
GN
D
30
.1K
06
03
R62
GN
D
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V
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1
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D
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D
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V
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C29
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GN
D
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WC
24
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V
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A365A
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V
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BV
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V
GN
D
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ufd
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DRV8312DRV8332
www.ti.com SLES256C –MAY 2010–REVISED OCTOBER 2013
Figure 13. DRV8312 Schematic Example
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B1
C3
7
C33T1
T2
T3
T4
C4
6
C43
DRV8312DRV8332
SLES256C –MAY 2010–REVISED OCTOBER 2013 www.ti.com
T1: PVDD decoupling capacitors C37, C43, and C46 should be placed very close to PVDD_X pins and ground returnpath.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 aspossible for ground path such as GND_X path.
Figure 14. Printed Circuit Board – Top Layer
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 Board – Bottom Layer
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DRV8312DRV8332
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THERMAL INFORMATIONThe thermally enhanced package provided with the DRV8332 is designed to interface directly to heat sink usinga thermal interface compound in between, (e.g., Ceramique from Arctic Silver, TIMTronics 413, etc.). The heatsink then absorbs heat from the ICs and couples it to the local air. It is also a good practice to connect theheatsink 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 thefollowing 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 thethermal grease manufacturer's area thermal resistance (expressed in °C-in 2/W or °C-mm2/W). The approximateexposed 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 notrecommended. Thermal tape has an even higher thermal resistance and should not be used at all. Heat sinkthermal 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 (SPRA953A), for more thermal information.
DRV8312 Thermal Via Design RecommendationThermal pad of the DRV8312 is attached at bottom of device to improve the thermal capability of the device. Thethermal pad has to be soldered with a very good coverage on PCB in order to deliver the power specified in thedatasheet. The figure below shows the recommended thermal via and land pattern design for the DRV8312. Foradditional information, see TI application report, PowerPad Made Easy (SLMA004B) and PowerPad LayoutGuidelines (SOLA120).
Figure 16. DRV8312 Thermal Via Footprint
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DRV8312DRV8332
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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: "Foraccurate control of the overcurrent protection..." ................................................................................................................ 18
Changes from Revision A (July 2013) to Revision B Page
• Changed the description of pin M3 From: AGND connection is recommended To: VREG connection isrecommended ....................................................................................................................................................................... 4
Changes from Revision B (September 2013) to Revision C 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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Addendum-Page 1
PACKAGING INFORMATION
Orderable Device Status(1)
Package Type PackageDrawing
Pins PackageQty
Eco Plan(2)
Lead/Ball Finish MSL Peak Temp(3)
Op Temp (°C) Device Marking(4/5)
Samples
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 availabilityinformation 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 thatlead 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 betweenthe 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 weightin 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 continuationof 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 informationprovided 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
PACKAGE OPTION ADDENDUM
www.ti.com 2-Oct-2013
Addendum-Page 2
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OTHER QUALIFIED VERSIONS OF DRV8332 :
NOTE: Qualified Version Definitions:
TAPE AND REEL INFORMATION
*All dimensions are nominal
Device PackageType
PackageDrawing
Pins SPQ ReelDiameter
(mm)
ReelWidth
W1 (mm)
A0(mm)
B0(mm)
K0(mm)
P1(mm)
W(mm)
Pin1Quadrant
DRV8312DDWR HTSSOP DDW 44 2000 330.0 24.4 8.6 15.6 1.8 12.0 24.0 Q1
DRV8332DKDR HSSOP DKD 36 500 330.0 24.4 14.7 16.4 4.0 20.0 24.0 Q1
PACKAGE MATERIALS INFORMATION
www.ti.com 2-Oct-2013
Pack Materials-Page 1
*All dimensions are nominal
Device Package 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
PACKAGE MATERIALS INFORMATION
www.ti.com 2-Oct-2013
Pack Materials-Page 2
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Texas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections, enhancements, improvements and otherchanges to its semiconductor products and services per JESD46, latest issue, and to discontinue any product or service per JESD48, latestissue. Buyers should obtain the latest relevant information before placing orders and should verify that such information is current andcomplete. All semiconductor products (also referred to herein as “components”) are sold subject to TI’s terms and conditions of salesupplied 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 termsand conditions of sale of semiconductor products. Testing and other quality control techniques are used to the extent TI deems necessaryto support this warranty. Except where mandated by applicable law, testing of all parameters of each component is not necessarilyperformed.
TI assumes no liability for applications assistance or the design of Buyers’ products. Buyers are responsible for their products andapplications using TI components. To minimize the risks associated with Buyers’ products and applications, Buyers should provideadequate design and operating safeguards.
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Buyer acknowledges and agrees that it is solely responsible for compliance with all legal, regulatory and safety-related requirementsconcerning its products, and any use of TI components in its applications, notwithstanding any applications-related information or supportthat may be provided by TI. Buyer represents and agrees that it has all the necessary expertise to create and implement safeguards whichanticipate dangerous consequences of failures, monitor failures and their consequences, lessen the likelihood of failures that might causeharm and take appropriate remedial actions. Buyer will fully indemnify TI and its representatives against any damages arising out of the useof 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 tohelp enable customers to design and create their own end-product solutions that meet applicable functional safety standards andrequirements. 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 partieshave 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 inmilitary/aerospace applications or environments. Buyer acknowledges and agrees that any military or aerospace use of TI componentswhich have not been so designated is solely at the Buyer's risk, and that Buyer is solely responsible for compliance with all legal andregulatory 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 ofnon-designated products, TI will not be responsible for any failure to meet ISO/TS16949.
Products Applications
Audio www.ti.com/audio Automotive and Transportation www.ti.com/automotive
Amplifiers amplifier.ti.com Communications and Telecom www.ti.com/communications
Data Converters dataconverter.ti.com Computers and Peripherals www.ti.com/computers
DLP® Products www.dlp.com Consumer Electronics www.ti.com/consumer-apps
DSP dsp.ti.com Energy and Lighting www.ti.com/energy
Clocks and Timers www.ti.com/clocks Industrial www.ti.com/industrial
Interface interface.ti.com Medical www.ti.com/medical
Logic logic.ti.com Security www.ti.com/security
Power Mgmt power.ti.com Space, Avionics and Defense www.ti.com/space-avionics-defense
Microcontrollers microcontroller.ti.com Video and Imaging www.ti.com/video
RFID www.ti-rfid.com
OMAP Applications Processors www.ti.com/omap TI E2E Community e2e.ti.com
Wireless Connectivity www.ti.com/wirelessconnectivity
Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265Copyright © 2013, Texas Instruments Incorporated
LEM reserves the right to carry out modiications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.110218/19 www.lem.comPage 1/3
Current Transducer LTS 15-NPFor the electronic measurement of currents: DC, AC, pulsed, mixed with galvanic isolation between the primary circuit (high power) and the secondary circuit (electronic circuit).
Electrical data
IPN
Primary nominal current rms 15 AtIPM
Primary current, measuring range 0 .. ± 48 AtÎP
Overload capability 250 AtV
OUT Output voltage (Analog) @ I
P 2.5
±
(0.625·I
P/I
PN) V
IP = 0 2.5 1) V
G Sensitivity 41.6 mV/AN S
Number of secondary turns (± 0.1 %) 2000 R
L Load resistance ≥ 2 kW
R IM
Internal measuring resistance (± 0.5 %) 83.33 WTCR
IM Temperature coeficient of R
IM < 50 ppm/K
VC Supply voltage (± 5 %) 5 VIC Current consumption @ VC = 5 V Typ 28+I
S2)+(V
OUT/R
L) mA
X Accuracy @ IPN
, TA = 25°C ± 0.2 %
Accuracy - Dynamic performance data
Accuracy with RIM
@ IPN
, TA = 25°C ± 0.7 %ε
L Linearity error < 0.1 %
Typ MaxTCV
OUT Temperature coeficient of V
OUT @ I
P= 0 - 10°C .. + 85°C 65 120 ppm/K
- 40°C .. - 10°C 65 170 ppm/KTCG
Temperature coeficient of G - 40°C .. + 85°C 50 3) ppm/K
VOM
Magnetic offset voltage @ IP = 0,
after an overload of 3 x IPN
± 0.5 mV 5 x I
PN ± 2.0 mV
10 x IPN
± 2.0 mVt
ra Reaction time @ 10 % of I
PN < 100 ns
tr Response time to 90 % of I
PN step < 400 ns
di/dt di/dt accurately followed > 35 A/µsBW Frequency bandwidth (0 .. - 0.5 dB) DC .. 100 kHz (- 0.5.. 1 dB) DC .. 200 kHz
General data
TA Ambient operating temperature - 40 .. + 85 °CT
S Ambient storage temperature - 40 .. + 100 °C
m Mass 10 g
Standards EN 50178: 1997 IEC 60950-1: 2001
Notes: 1) Absolute value @ TA = 25°C, 2.475 < VOUT
< 2.525
2) IS = I
P/N
S
3) Only due to TCR
IM.
IPN
= ± 15 At
Features ズ Closed loop (compensated) multi-
range current transducer using the Hall effect
ズ Unipolar voltage supply ズ Isolated plastic case recognized
according to UL 94-V0 ズ Compact design for PCB
mounting ズ Incorporated measuring
resistance ズ Extended measuring range.
Advantages ズ Excellent accuracy ズ Very good linearity ズ Very low temperature drift ズ Optimized response time ズ Wide frequency bandwidth ズ No insertion losses ズ High immunity to external
interference ズ Current overload capability.
Applications ズ AC variable speed drives and
servo motor drives
ズ Static converters for DC motor drives
ズ Battery supplied applications ズ Uninterruptible Power Supplies
(UPS) ズ Switched Mode Power Supplies
(SMPS) ズ Power supplies for welding
applications.
Application domain ズ Industrial.
16058
LEM reserves the right to carry out modiications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.110218/19 www.lem.comPage 2/3
Current Transducer LTS 15-NP
Isolation characteristics
Vd Rms voltage for AC isolation test, 50 Hz, 1 min 3 kV
Vw Impulse withstand voltage 1.2/50 µs > 8 kV MinV
e Rms voltage for partial discharge extinction @ 10pC > 1.5 kV
MindCp Creepage distance 1) 15.5 mmdCI Clearance distance 2) 6.35 mmCTI Comparative Tracking Index (group IIIa) 175
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:
ズ Over voltage category OV 3 ズ Pollution degree PD2 ズ Non-uniform ield
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.
EN 50178 IEC 61010-1
dCp, dCI, Rated insulation voltage Nominal voltageSingle insulation 600 V 600 V
Reinforced insulation 300 V 300 V
Vw
LEM reserves the right to carry out modiications on its transducers, in order to improve them, without prior notice.110218/19 www.lem.comPage 3/3
Dimensions LTS 15-NP (in mm)
Mechanical characteristics ズ General tolerance ± 0.2 mm ズ Fastening & connection of primary 6 pins 0.8 x 0.8 mm
Recommended PCB hole 1.3 mm ズ Fastening & connection of secondary 3 pins 0.5 x 0.35 mm
Recommended PCB hole 0.8 mm ズ Additional primary through-hole Ø 3.2 mm
Remarks ズ V
OUT swings above 2.5 V when I
P lows from terminals 1,
2, 3 to terminals 6, 5, 4 (with the arrow). ズ Temperature of the primary jumper should not exceed
100°C.
Output Voltage - Primary Current
Operation principle
- IPM
- IPN
IPM
IPN
0
VOUT
[ V ]
[ At ] IP
4.5
5
2.5
0.5
3.125
1.875
Number ofprimary turns
Primary nominalcurrent rms
IPN
[ A ]
Nominaloutput voltage
VOUT
[ V ]
Primary
resistanceR
P [ mΩ ]
Primary insertioninductanceL
P [ µH ]
Recommendedconnections
1 ± 15 2.5 ± 0.625 0.18 0.0136 5 4 OUT
IN 1 2 3
2 ± 7.5 2.5 ± 0.625 0.81 0.05 6 5 4 OUT
IN 1 2 3
3 ± 5 2.5 ± 0.625 1.62 0.12 6 5 4 OUT
IN 1 2 3
INNOLINEDC/DC-Converterwith 3 year Warranty
R-78HB
www.recom-international.com I-27REV:1/2010
0.5 AMPSIP3 Single Output
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)
Features
Selection Guide
Part Input Output Output Efficiency Number Range Voltage Current Vmin. 30V 72VSIP3 (V) (V) (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 92
!"
Derating-Graph(Ambient Temperature)
Description
* add Suffix “L” for 90° bent pins, e.g. R-78HB5.0-0.5L
/?
0*C01421!1**$7,23*00C2!--<*431101**,,0*C$
#$#%&@-7+,!-.-
Typical Application Circuit
EN-55022 CertifiedEN-55024 CertifiedEN-60601-1-2 CertifiedEN-60950-1 Certified
The R-78HBxx-Series high efficiency, high input voltage switching regulators are ideally suited to replace 78xx linearregulators and are pin compatible. The efficiency of up to 96% means that very little energy is wasted as heat so thereis no need for any heat sinks with their additional space and mounting costs.
An input voltage range of up to 8:1is unsurpassed by any other converter and allows the full stored energy utilisation ofstandard and high voltage batteries. The fully protected output is ideal for industrial applications (especially for industrystandard 24VDC bus supplies) and the L-Version with 90° pins allows direct replacement for laid-flat regulators wherecomponent height is at a premium. Low ripple and noise figures and a short circuit input current of typically only 15mAround off the specifications of this versatile converter series.
Typical applications include telecommunication, automotive, industrial, aerospace and battery powered applications. RoHS2002/95/EC
6/6
I-28 www.recom-electronic.comREV: 1/2010
R-7
8H
B
&+*3DEF
*0&+*3-16,-9#'-
-9$--9:$-
-9-
"
#
-9-
-9$-
-9#$#-
-9-
SwitchingFrequency
vsLoad
Characteristics Conditions Min. Typ. Max.Input Voltage Range See table 9V 72V 75V Absolute Max.
Output Voltage Range (for customized parts) All Series 3.3V 24VOutput Current (see Note 1) 3.3V, 5V, 6.5V, 9V, 12V, 15V 10mA 500mA
24V 6mA 300mA
Output Current Limit (Vin = 48VDC) All Series 700mA 1200mA
Short Circuit Input Current All Series 15mA 25mA
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 -40°C ~ +85°C ambient 0.015%/°CMax capacitance Load with normal start-up time, no external components 100µF
with <1 second start up time + diode protection circuit 6800µF
Switching Frequency (See Graph) Full Load 120kHz 800kHz
Quiescent Current Vin = 48VDC. at minimum load 1mA 5mA
Operating Temperature Range -40°C +85°C
Operating Case Temperature +100°C
Storage Temperature Range -55°C +125°C
Case Thermal Impendance 60°C / W
Thermal Shutdown Internal IC junction +160°C
Relative Humidity 95% RH
Case Material Non-Conductive Black Plastic
Potting Material Epoxy (UL94V-0)
Package Weight 4g
Packing Quantity 42 pcs per Tube
Soldering Temperature 265°C max./10 sec.
Conducted Emissions EN55022 Class BRadiated Emissions EN55022 Class BESD EN61000-4-2 Class A
Safety Certification EN-60950-1
MTBF (+25°C) using MIL-HDBK 217F 7395 x 10³ hours
(+71°C) using MIL-HDBK 217F 1242 x 10³ hours
R-78HBxx-0.5(L) Series
Specifications (refer to the standard application circuit, Ta: 25°C, minimum load = 10%)
INNOLINEDC/DC-Converter
Detailed Information see Application Notes chapter "MTBF"
R-7
8H
B
www.recom-international.com I-29REV:1/2010
INNOLINEDC/DC-Converter
Typical Characteristics8!!**3
8!!**3-1-&226,
-9--9#$#-
--
#
-9--9-
-9:--9$-
-9-
:
Efficiency
8!!**3
8!!**3-16,-95<
-9-
-9#$#--9-
"
#
-9--9-
-9$--9:-
8!!**3
8!!**3-16,-95
-9#$#--9-
"
#
-9-;--9-
-9$--9:-
72
-
72-1-&226,
-9-
-9#$#-
--
#
-9:-
-9-;--9$-
-9-
:
Ripple
72
-
72-16,-95<
-9$--9:$-
-9-;-
"
#
-9--9$-
-9#$#-
72
-
72-16,-95
-9$--9:$-
-9-;-
"
#
-9--9$-
-9#$#-
R-78HBxx-0.5(L) Series
*Note: Operation under no load will not damage these devices, however they may not meet all specifications. A minimum load of 10mA is recommended
I-30 www.recom-electronic.comREV: 1/2010
R-7
8H
B
$
$-
=-
$
$
$
$#$
#$
$3$
$3$
$
789/?
::::);
$>?$@A$
789/?
::::);
$
$
$<
INNOLINEDC/DC-Converter
Package Style and Pinning (mm)
#,2B*SIP3 PIN Package
?!
?!
/?
B,
6
.%.- # *"% ! - -
$"# !% -!;"= .&(&4;!
B,
# * *!-!""# !3 - -
!%(=*
) ! 3) -
6 ."-# %* %!3;-!3; = .-
R-78HBxx-0.5(L) Series
High Input Voltage Multiple Output Supply
Pin Connections
Pin #
1 +Vin
2 GND
3 +Vout
xx.x ±0.5mm xx.xx ±0.25mm
Recommended Footprint Details
L - Version
Typical Application
Add a blocking diode to Vout ifcurrent can flow backwards intothe output, as this can damagethe converter when it is powereddown.
The diode can either be fittedacross the device if the source islow impedance or fitted in serieswith the output (recommended).
Optional Protection Circuit
Optional Protection 1: Optional Protection 2:
0
'
1-. 23"
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