MOSFETとマイクロコントローラーを使用してDCモーターを駆動しますか？

3.3Vで動作するAtmega328マイクロコントローラーと非常に小さなブラシ付きDCモーターを使用して、ナノクワッドコプターを開発しています。これらのモーターで使用される平均電流は、3.7Vで約800mAです。

最初は、それらを駆動するために、L293Dモータードライバーを使用しましたが、このコンポーネントは非常に非効率的でした。モーターが最大出力で動作したときに測定された電流は約500mAであったため、推力は本来よりもはるかに低くなりました。

ここで、この問題を解決するために、そのモータードライバーを4つのロジックレベルMOSFETに置き換えます。長い検索の後、私はこれを見つけます（2SK4033）。

それが機能するかどうか知っていますか？ダイオードと組み合わせて使用​​する必要がありますか？答えが「はい」の場合、これ（MBR360RLG）はどうですか？

これらのコンポーネントを選択したのは、同じオンラインストアから購入できるからです。

MOSFETは、このアプリケーションで非常にうまく機能するはずです。考慮すべき事項を次に示します。

1：

FETを使用して負荷を駆動する場合、ハイサイド構成またはローサイド構成を選択できます。ハイサイドでは、FETが電源レールと負荷の間に配置され、負荷の反対側はグランドに接続されます。ローサイド構成では、負荷の一方のリードが電源レールに接続され、FETは負荷とグランドの間に配置されます。

モーター（またはその他の負荷）を駆動する最も簡単な方法は、ローサイド構成でNチャネルMOSFETを使用することです。N-FETは、ゲート電圧がソースよりも高くなると導通し始めます。ソースはグランドに接続されているため、ゲートは通常のオン/オフロジックで駆動できます。FETが導通する前に、ゲート電圧が超えなければならないしきい値（「Vth」）があります。一部のFETのVthは数十ボルトです。Vccよりもかなり低いしきい値の「ロジックレベル」N-FETが必要です。

ローサイドFET構成には2つの欠点があります。

• モーター巻線は、電源レールに直接接続されています。FETがオフのとき、巻線全体が「ホット」です。電源接続ではなく、グランドを切り替えています。

• モーターには真のグランド基準がありません。FETの順方向電圧により、最低電位はグランドよりも高くなります。

これらのどちらも設計では重要ではありません。ただし、予期しない場合は問題が発生する可能性があります！特に高出力回路では:)

これらの問題を克服するには、ハイサイド構成でP-FETを使用できます。ただし、駆動回路はもう少し複雑になります。通常、P-FETスイッチのゲートは電源レールにプルアップされています。この電源レールはuCのVccよりも高いため、uCのI / Oピンを直接ゲートに接続することはできません。一般的な解決策は、小型のローサイドN-FETを使用してハイサイドP-FETのゲートをプルダウンすることです。

R1とR3は、Q2が駆動されるまでFETをオフに保つために存在します。ローサイド構成でもR3が必要です。

あなたの場合、単純なローサイドN-FET（R3を使用）がより役立つと思います。

2：

最後の図のR2に注目してください。MOSFETのゲートはコンデンサとして機能し、ドレイン-ソース電流が流れ始める前に充電する必要があります。最初に電源を供給したときに大きな突入電流が発生する可能性があるため、uCの出力ドライバーへの損傷を防ぐためにこの電流を制限する必要があります。キャップは一瞬だけのように見えるので、大きな誤差の余地はありません。たとえば、特定のAtmelは40mAをソースできます。3.3V / 35mA => 94.3オーム 100Ωの抵抗器が最適です。

ただし、この抵抗はFETのターンオン時間とターンオフ時間を遅くし、スイッチング周波数に上限を設けます。また、FETが線形動作領域にある時間が長くなり、電力が無駄になります。高周波で切り替えている場合、これが問題になる可能性があります。1つの指標は、FETが熱くなりすぎている場合です！

この問題の解決策は、FETドライバを使用することです。これらは、より多くの電流をソースできるバッファであるため、制限抵抗を必要とせずにゲートをより速く充電できます。また、ほとんどのFETドライバは、標準のVccよりも高い電力レールを使用できます。このより高いゲート電圧は、FETのオン抵抗を減らし、追加の電力を節約します。あなたの場合、FETドライバに3.7Vで電力を供給し、uCの3.3Vで制御できます。

3：

最後に、ショットキーダイオードを使用して、モーターに起因する電圧スパイクから保護します。誘導性負荷を切り替えるときはいつでもこれを行います：

モーター巻線は大きなインダクタであるため、電流の変化に抵抗します。電流が巻線に流れていることを想像してから、FETをオフにします。インダクタンスにより、電場が崩壊するにつれてモーターから電流が流れ続けます。しかし、その電流を流す場所はありません！そのため、FETをパンチスルーするか、破壊的な動作をします。

負荷と並列に配置されたショットキーは、電流が移動するための安全な経路を提供します。電圧スパイクは、ダイオードの順方向電圧で最大になります。これは、指定したものの1Aでわずか0.6Vです。

前の写真、フライバックダイオードを使用したローサイド構成は、簡単で、安価で、非常に効果的です。

MOSFETソリューションの使用に関して私が見る他の唯一の問題は、それが本質的に単方向であることです。元のL293Dは、複数のハーフブリッジドライバーです。これにより、モーターを両方向に駆動できます。1Yと2Yの間でモーターを接続するイメージング。L293Dは1Y = Vddおよび2Y = GNDにでき、モーターは一方向に回転します。または、1Y = GNDおよび2Y = Vddにすることができ、モーターは反対方向に回転します。かなり便利です。

頑張って楽しんでね！

これは、MOSFETで見たいものです。これは、2SK4033のデータシートからの抜粋です。-

あなたは平均電流が800mAだと言いますが、これは負荷の下で1A以上に増加するでしょうか？とにかく、1Aで3.3Vのゲート駆動電圧では、MOSFETは1Aの負荷に電力を供給すると、その端子間で約0.15V低下します。この電力損失（150mW）に耐えることができます。さらに重要なことは、バッテリ電圧が3Vを下回ると、必然的にゲート電圧が低下するため、パフォーマンスが失われることです。

この質問に答えられるのはあなただけです。これよりも優れたMOSFETがありますが、予想されるモーターの実際の負荷電流を計算する必要があります。

編集

ここに私が出会ったチップがありますが、これはMOSFETの代わりに非常に役立つかもしれません。TI のDRV8850です。これには2つのハーフブリッジが含まれているため、フライバックダイオードを必要とせずに4つのモーターのうち2つを独立して駆動できます（実質的に、トップFETは同期整流器として動作し、これにより損失が減少します）。各FETのオン抵抗は0.045オームであり、定格は5A（消費電力は約1.1ワット）ですが、OPが約1Aを必要とする場合、これは非常に簡単になります。電源電圧範囲は2V〜5.5Vなので、これも非常に適しています。

ブラシ付きDCモーターが使用されているため、ドライブとして必ずしもHブリッジは必要ありません。実際にHブリッジが必要なのは2つのケースのみです。モーターを外部で整流する必要がある（たとえば、ブラシレスPMモーターを考える）または逆回転する必要がある。これらのどちらもここでは当てはまらないようです。単一方向または単一象限ドライブ（SQD）を使用すると、実行しようとしている作業が大幅に簡素化されます。

使用を検討しているFET（2SK4033）は、使用可能な駆動電圧とはあまり一致していません（Andyは既に理由を指摘しています）。FETの選択については、後で詳しく説明します。

シングルクアドラントドライブ（SQD）によるブラシ付きDCモーターの駆動

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

FETを選択するための基本的な基準（FETを選択するABCの種類）：

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  熱上昇は本当に重要です。伝導損失、ゲート損失、スイッチング損失など、すべての損失を考慮しています。

3つの基準に基づくサンプル部品の選択：

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

どこ

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$ or $\tau$ = $\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$ = $\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$ = 242nSec

Time for some operating assumptions. Ambient temperature is 50C (so max FET die temp is 100C), PWM frequency is 20kHz (because lower frequencies are audible, and really 5kHz to 10kHz is just obnoxious), duty cycle (DC) is 90%, and motor current ($I_m$) is 1.2A. From the $R_{\text{ds}}$ versus temp curve on page 3 of the datasheet we see that at 100C, $R_{\text{ds}}$ is 33mOhms. Now we are ready to calculate power loss in the FET.

$P_T$ = $0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$ + $\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$ = 36mW + 19mW = 55mW

So, for these conditions FET heat rise comes in at about 1/2 the limit of 100mW. In fact, $I_m$ could be 1.65A and the FET would still be in the heat rise budget.

Loose Ends

• Put the drive circuit and switches close to the motor.

• While it may be possible for the micro to drive the FET directly, a driver for the protection of the micro is a good idea (something like a NC7WZ16 could work here).

• Gate circuit resistance becomes an exercise in impedance matching. The lowest gate circuit resistance should be is the characteristic impedance of gate circuit parasitic L and FET $C_{\text{iss}}$. Here is an earlier question that goes in to more detail and may be helpful.

• Choose a diode with the same voltage rating as the FET, and current rating higher than the maximum $I_m$. A Schottky will have lower loss, but if FET duty cycle is > ~70% it won't really matter if a switching diode is used instead.