電池供電的電動工具：背景與趨勢
1962 年，BLACK+DECKER® 設計並製造了第一台由可充電電池供電的無繩電鑽。在電池技術進步、全球工業化進程和 DIY 運動浪潮等多方面因素的推動下，電池供電的電動工具市場呈現出爆發式增長態勢。
傳統無繩手持工具的電池電壓通常為 12-36 V，但近年來，專業用戶的高功率需求與日俱增，這進而驅使高達 72 V 電池電壓的市場需求不斷增長。然而，要實現這些新型工具，就需要對電池充電器、電池/電源樹和電機/電機驅動器等主要子系統進行技術革新。為應對這些挑戰，安森美 (onsemi) 針對這三類子系統開發了完整的固態器件產品組合。
電池供電的電動工具的系統架構
頂層拓撲
下圖 1 為電池供電的電動工具主要功能的簡化框圖。
功能框圖顯示了無繩電動工具的三個主要子系統（保護型器件是一個單獨的類別，但不是單獨的子系統）：
- 電池充電器
- 電池和電源樹
- 運動
- 保護
下面將詳細介紹各個主要子系統。
電池充電器
電池充電器可以給備用電池組高效充電，為此通常需要將單相 115/230 VAC 轉換為指定的電池組電壓。該子系統包含一個 AC-DC 轉換器級和一個安全級，後者用於防止過度充電和過熱。
理想的電池充電器應當結構緊湊、方便攜帶和存放，並與標準交流電源插座兼容。如今，幾乎所有電池充電器都帶有某種形式的功率因數校正 (PFC)，以提高能效、減少諧波失真，並確保滿足監管標準要求。
電池管理和電源樹
電池管理和電源樹是基於電路板的電動工具子系統。電池管理就像電池組的大腦，負責監測和管理電池性能，同時確保器件在安全範圍以內運行，避免過度充電和過度放電等問題。
電源樹負責為系統中的所有邏輯電平和低壓供電軌供電，目標是為其他子系統高效提供所有必要的電壓。
運動
電動工具依靠有刷直流 (BDC) 或三相無刷直流 (BLDC) 的電池驅動電機來完成工作。其中，BLDC 電機憑藉能效更高、壽命更長、噪音更低等優勢，正迅速成為高端電池供電的電動工具的優選。
負責驅動電機的功率級必須滿足外形緊湊、能效高、操作可靠和內部保護等若干性能指標，才能確保工具以出色狀態工作。
保護
電機需要電流浪涌才能正常運行，但如果沒有適當的保護，電流浪涌也會破壞電子設備和器件。因此，對於任何無繩工具而言，保護內部電子設備都具有重要意義。
靜電放電 (ESD) 給內部電子器件帶來了另一種挑戰。控制器等低級電子器件特別容易受到不良 ESD 的影響。如果對內部核心器件的保護不夠周全，電池供電的電動工具就難以可靠運行或實現更長壽命。
安森美為電池供電的電動工具提供核心器件
電池充電器
電池充電器採用不同的拓撲進行 AC-DC 轉換、功率因數校正和 DC-DC 降壓轉換。在現代電池充電器中，MOSFET 開關必不可少。
要用於電動工具，MOSFET 必須在重負載和輕負載下都能有效工作，並且還要兼具低導通損耗和低開關損耗特性。為了滿足這些挑戰性要求，安森美開發了 SUPERFET® 系列超結 (SJ) MOSFET。該系列器件具有出色的品質因數，並且能夠支持極端 dVDS/dt 額定值。
要使用 MOSFET，還必須搭配柵極驅動器。柵極驅動器是固態器件，經過優化，可高效可靠地驅動 MOSFET 上的大輸入柵極電容。理想的柵極驅動器可大幅減小 MOSFET 的開關損耗，同時還為相關輸入提供穩健的過壓/過流保護。
安森美開發了一款低成本柵極驅動器，非常適合需要儘量縮減物料單 (BOM) 的電池充電器。NCD83591 是一款三相柵極驅動器，兼具以下特性：
- 工作電壓範圍：5-60 V
- 高達 250 mA 的恆電驅動
- 嵌入式放大器
- 高達 30 kHz 的電機脈衝寬度調製 (PMW)
- 集成保護
安森美還提供其他用於電池充電器的器件，包括用於整流的 SiC 二極體、用於電源管理的控制器和用於保護的電流傳感器。
電池管理和電源樹
安森美還為電池管理和電源樹提供多種穩壓器和低壓溫度傳感器。對於電源樹的穩壓器，安森美提供 DC-DC 穩壓器和線性穩壓器 (LDO)。
DC-DC 器件是同步降壓調節器，工作電壓高達 65 V。線性穩壓器噪聲低，工作電流高達 1 A。
NCP730 CMOS LDO 穩壓器支持高達 38 V 的輸入電壓和 150 mA 的輸出電流。NCP730 的超低靜態電流僅 1 uA，是電池供電應用的理想方案。輸出電壓可在 1.2 至 24 V 範圍內任意調節，也可設置為固定值。
運動
與電池充電器類似，電機驅動器也需要 MOSFET 開關。BDC 電機的雙向運行需要兩個半橋，每個半橋使用兩個 MOSFET。驅動三相 BLDC 電機需要三個半橋，每個半橋使用兩個 MOSFET。
為了滿足這些應用的需求，安森美提供大量低壓-中壓 (LV-MV) MOSFET，包括用於電源應用的新型 T10 PowerTrench® 系列。相比前幾代產品，T10 MOSFET 的功率密度更高、開關損耗更低、過沖/噪聲更低且可靠性更高。每個 MOSFET 都需要一個柵極驅動器，前面提到的柵極驅動器 NCD83591 也適用於此 MOSFET。
安森美還提供許多用於運動子系統的其他器件，包括電機驅動器、旋轉位置傳感器和運算放大器。
保護
MOSFET 和控制器等低壓器件需配備保護措施。然而，不同器件需要不同類型的保護方式。一般來說，MOSFET 需要熱保護和過壓保護，而低壓器件需要 ESD 保護。
柵極驅動器可以保護 MOSFET，防止柵極過壓和過流。柵極和漏極上的二極體也可以保護 MOSFET，防止過壓。安森美提供豐富多樣的柵極驅動器（例如前面提到的低成本 NCD83591）和保護二極體（如齊納二極體和肖特基二極體）。
其他支持電源保護的考慮因素包括：
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