电池供电的电动工具的核心器件

电池供电的电动工具：背景与趋势

1962 年，BLACK+DECKER® 设计并制造了第一台由可充电电池供电的无绳电钻。在电池技术进步、全球工业化进程和 DIY 运动浪潮等多方面因素的推动下，电池供电的电动工具市场呈现出爆发式增长态势。

传统无绳手持工具的电池电压通常为 12-36 V，但近年来，专业用户的高功率需求与日俱增，这进而驱使高达 72 V 电池电压的市场需求不断增长。然而，要实现这些新型工具，就需要对电池充电器、电池/电源树和电机/电机驱动器等主要子系统进行技术革新。为应对这些挑战，安森美 (onsemi) 针对这三类子系统开发了完整的固态器件产品组合。

电池供电的电动工具的系统架构

顶层拓扑

下图 1 为电池供电的电动工具主要功能的简化框图。

功能框图显示了无绳电动工具的三个主要子系统（保护型器件是一个单独的类别，但不是单独的子系统）：

1. 电池充电器
2. 电池和电源树
3. 运动
4. 保护

下面将详细介绍各个主要子系统。

电池充电器

电池充电器可以给备用电池组高效充电，为此通常需要将单相 115/230 VAC 转换为指定的电池组电压。该子系统包含一个 AC-DC 转换器级和一个安全级，后者用于防止过度充电和过热。

理想的电池充电器应当结构紧凑、方便携带和存放，并与标准交流电源插座兼容。如今，几乎所有电池充电器都带有某种形式的功率因数校正 (PFC)，以提高能效、减少谐波失真，并确保满足监管标准要求。

电池管理和电源树

电池管理和电源树是基于电路板的电动工具子系统。电池管理就像电池组的大脑，负责监测和管理电池性能，同时确保器件在安全范围以内运行，避免过度充电和过度放电等问题。

电源树负责为系统中的所有逻辑电平和低压供电轨供电，目标是为其他子系统高效提供所有必要的电压。

运动

电动工具依靠有刷直流 (BDC) 或三相无刷直流 (BLDC) 的电池驱动电机来完成工作。其中，BLDC 电机凭借能效更高、寿命更长、噪音更低等优势，正迅速成为高端电池供电的电动工具的优选。

负责驱动电机的功率级必须满足外形紧凑、能效高、操作可靠和内部保护等若干性能指标，才能确保工具以出色状态工作。

保护

电机需要电流浪涌才能正常运行，但如果没有适当的保护，电流浪涌也会破坏电子设备和器件。因此，对于任何无绳工具而言，保护内部电子设备都具有重要意义。

静电放电 (ESD) 给内部电子器件带来了另一种挑战。控制器等低级电子器件特别容易受到不良 ESD 的影响。如果对内部核心器件的保护不够周全，电池供电的电动工具就难以可靠运行或实现更长寿命。

安森美为电池供电的电动工具提供核心器件

电池充电器

电池充电器采用不同的拓扑进行 AC-DC 转换、功率因数校正和 DC-DC 降压转换。在现代电池充电器中，MOSFET 开关必不可少。

要用于电动工具，MOSFET 必须在重负载和轻负载下都能有效工作，并且还要兼具低导通损耗和低开关损耗特性。为了满足这些挑战性要求，安森美开发了 SUPERFET® 系列超结 (SJ) MOSFET。该系列器件具有出色的品质因数，并且能够支持极端 dV_DS/dt 额定值。

要使用 MOSFET，还必须搭配栅极驱动器。栅极驱动器是固态器件，经过优化，可高效可靠地驱动 MOSFET 上的大输入栅极电容。理想的栅极驱动器可大幅减小 MOSFET 的开关损耗，同时还为相关输入提供稳健的过压/过流保护。

安森美开发了一款低成本栅极驱动器，非常适合需要尽量缩减物料单 (BOM) 的电池充电器。NCD83591 是一款三相栅极驱动器，兼具以下特性：

• 工作电压范围：5-60 V
• 高达 250 mA 的恒电驱动
• 嵌入式放大器
• 高达 30 kHz 的电机脉冲宽度调制 (PMW)
• 集成保护

安森美还提供其他用于电池充电器的器件，包括用于整流的 SiC 二极管、用于电源管理的控制器和用于保护的电流传感器。

电池管理和电源树

安森美还为电池管理和电源树提供多种稳压器和低压温度传感器。对于电源树的稳压器，安森美提供 DC-DC 稳压器和线性稳压器 (LDO)。

DC-DC 器件是同步降压调节器，工作电压高达 65 V。线性稳压器噪声低，工作电流高达 1 A。

NCP730 CMOS LDO 稳压器支持高达 38 V 的输入电压和 150 mA 的输出电流。NCP730 的超低静态电流仅 1 uA，是电池供电应用的理想方案。输出电压可在 1.2 至 24 V 范围内任意调节，也可设置为固定值。

运动

与电池充电器类似，电机驱动器也需要 MOSFET 开关。BDC 电机的双向运行需要两个半桥，每个半桥使用两个 MOSFET。驱动三相 BLDC 电机需要三个半桥，每个半桥使用两个 MOSFET。

为了满足这些应用的需求，安森美提供大量低压-中压 (LV-MV) MOSFET，包括用于电源应用的新型 T10 PowerTrench® 系列。相比前几代产品，T10 MOSFET 的功率密度更高、开关损耗更低、过冲/噪声更低且可靠性更高。每个 MOSFET 都需要一个栅极驱动器，前面提到的栅极驱动器 NCD83591 也适用于此 MOSFET。

安森美还提供许多用于运动子系统的其他器件，包括电机驱动器、旋转位置传感器和运算放大器。

保护

MOSFET 和控制器等低压器件需配备保护措施。然而，不同器件需要不同类型的保护方式。一般来说，MOSFET 需要热保护和过压保护，而低压器件需要 ESD 保护。

栅极驱动器可以保护 MOSFET，防止栅极过压和过流。栅极和漏极上的二极管也可以保护 MOSFET，防止过压。安森美提供丰富多样的栅极驱动器（例如前面提到的低成本 NCD83591）和保护二极管（如齐纳二极管和肖特基二极管）。

其他支持电源保护的考虑因素包括：

• eFuse
• SmartFET
• ESD 二极管

总结

电池供电的电动工具市场规模庞大，并且还在不断扩展。无绳工具相关器件和子系统的改进更是让此类需求持续加速增长。

电池供电工具包含三个主要子系统，即电池充电器、电池/电源树和运动。每个子系统都需要针对特定应用的半导体器件来设计。

电池供电工具包含三个主要子系统，即电池充电器、电池/电源树和运动。每个子系统都需要针对特定应用的半导体器件来设计。

欲详细了解安森美的电池供电产品，包括具体器件/型号，请查看我们的电池供电的电动工具系统方案指南。

精选产品：

T10 PowerTrench® 系列