PROYECTO DE FIN DE GRADO Controlador de Motor Brushless DC ... · intelectual, objeto de la...

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

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

7

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

9

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.

11

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

14

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


C7 669-8467 1

Condensador SMD 1206 1µF 50V 10%

C8, C9, C10, C11 740-7593 4


C12, C13, C14, C15, C16, C17

669-8408 6

Resistencia SMD 402 7.15KΩ 0.063W 0.1%

B1-B6 701-5591 6


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

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.

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

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(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);



//Arduino Mega : attachInterrupt(interrupt, function, mode)




//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:


case 3:


case 2:


case 6:


case 4:


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);



HallVal = (h1) + (2*h2) + (4*h3); //Cálculo el valor de la

//posición del rotor

switch (HallVal)

case 5:


pwm_write_duty( 6, 0 );


digitalWrite(5, HIGH);



break;

case 1:







break;

case 3:


54






break;

case 2:







break;

case 6:







break;

case 4:


55






break;

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


669-8515 1 0,058 0,046 0,058 0,046


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


669-8408 6 0,066 0,06 0,396 0,36


701-5591 6 0,366 0,229 2,196 1,374


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

63

Planos

+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


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


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


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


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.

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http://www.ti.com/product/drv8312#samples

http://www.ti.com/product/drv8332#samples

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



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http://www.go-dsp.com/forms/techdoc/doc_feedback.htm?litnum=SLES256C&partnum=DRV8312



DRV8312DRV8332


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




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1

2

3

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5

6

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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

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1

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31

30

29

28

26

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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


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


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


SYSTEM BLOCK DIAGRAM





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DRV8312DRV8332


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


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


TYPICAL CHARACTERISTICS (continued)OUTPUT DUTY CYCLE

vsINPUT DUTY CYCLE

Figure 5.





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DRV8312DRV8332


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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DRV8312DRV8332


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


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

DRV8312DRV8332


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


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


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


Figure 12. Sensorless Control with 6 Steps Trapezoidal Scheme





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DRV8312DRV8332


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


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


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

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Ora

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GN

D

GN

D

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DD

GN

D

GV

DD

GV

DD

GN

D

GN

D

GN

DG

ND

0.1

ufd

/10

0V

08

05

C37

0.1

ufd

/10

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08

05

C43

0.1

ufd

/10

0V

08

05

C46

23 1

S1

132

RS

TB

47

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60

3

R37

0.1

ufd

/16

V

06

03

C33 1

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06

03

C35

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/16

V

06

03

C34

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ufd

/16

V

06

03

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30

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80

5

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30

oh

ms/6

A0

80

5

L3

30

oh

ms/6

A0

80

5

L4

47

ufd

/16

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31

+

1.0

ufd

/16

V

06

03

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PV

DD

49

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60

3

R39

10

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/10

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06

03

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GN

DG

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PV

DD

PV

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OU

TB

OU

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10

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06

03

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60

3

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00

pfd

/10

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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

0.1

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0V

08

05

C42

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05

C45

61

90

60

3

R31

Ora

ng

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T_C

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ng

eOU

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Ora

ng

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0.0

11

W1

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6

R50

15

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06

03

R49

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03

R55

15

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06

03

R54

22

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03

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22

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0V

06

03

C22

22

0p

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0V

06

03

C27

22

0p

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06

03

C26

22

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0V

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

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pfd

/50

V0

60

3

C58

HT

SS

OP

44

-DD

W

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

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40

41

42

43

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DR

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DW

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GN

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R32

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03

R48

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06

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D

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R51

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03

R24

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06

03

R20

30

.1K

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

.1K

06

03

R16

GN

D

30

.1K

06

03

R62

GN

D

SO

T2

3-D

BV

2 1 5

4 3

OP

A365A

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V

OA

1

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V-

VO

UT

V+

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D

OA

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OP

A365A

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34

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SO

T2

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SO

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3-D

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hb

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hb

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OTA

L

DRV8312DRV8332


Figure 13. DRV8312 Schematic Example





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B1

C3

7

C33T1

T2

T3

T4

C4

6

C43

DRV8312DRV8332


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


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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http://www.ti.com/lit/pdf/SPRA953

http://www.ti.com/lit/pdf/slma004b

http://www.ti.com/lit/pdf/sloa120




DRV8312DRV8332


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

www.ti.com 2-Oct-2013

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

http://www.ti.com/product/DRV8312?CMP=conv-poasamples#samplebuy




http://www.ti.com/productcontent

PACKAGE OPTION ADDENDUM


Addendum-Page 2

continues to take reasonable steps to provide representative and accurate information but may not have conducted destructive testing or chemical analysis on incoming materials and chemicals.TI and TI suppliers consider certain information to be proprietary, and thus CAS numbers and other limited information may not be available for release.

In no event shall TI's liability arising out of such information exceed the total purchase price of the TI part(s) at issue in this document sold by TI to Customer on an annual basis.

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


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


Pack Materials-Page 2

http://www.ti.com/lit/slma002

IMPORTANT NOTICE

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.

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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.

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http://www.ti.com/security

http://power.ti.com

http://www.ti.com/space-avionics-defense

http://microcontroller.ti.com

http://www.ti.com/video

http://www.ti-rfid.com

http://www.ti.com/omap

http://e2e.ti.com

http://www.ti.com/wirelessconnectivity

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


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


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#'-

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#

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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


Typical Characteristics8!!**3

8!!**3-1-&226,

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--

#

-9--9-

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:

Efficiency

8!!**3

8!!**3-16,-95<

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8!!**3

8!!**3-16,-95

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#

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72

-

72-1-&226,

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--

#

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:

Ripple

72

-

72-16,-95<

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-9-;-

"

#

-9--9$-

-9#$#-

72

-

72-16,-95

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-9-;-

"

#

-9--9$-

-9#$#-


*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

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$3$

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789/?

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Package Style and Pinning (mm)

#,2B*SIP3 PIN Package

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B,

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B,

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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"

PROYECTO DE FIN DE GRADO Controlador de Motor Brushless DC ... · intelectual, objeto de la...

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