芝芯方案 | 无绳电动工具，不接电源线仍能释放动力

 

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灵活易用，机动性高

我们知道任何一款产品对于环境的束缚性越小，所使用的体验感就越舒适，电动工具也不例外。无绳电动工具相比于有绳电动工具拥有更高的机动性和灵活性，成为了万千家庭居家必备的首选。如何设计一款高效的无绳电动工具是赢得市场青睐的一个关键。

 

 

图1 无绳电动工具效果图

东芝半导体结合市场需求推出了全新的无绳电动工具设计方案，帮助市场进一步拓宽赛道。

设计简约，但不简单

一般来说无绳电动工具由四个部分组成，分别是电池能源、驱动动力、转矩调节和传感检测模块。此次东芝半导体推出的无绳电动工具解决设计方案依然使用这套组合拳，但是每个模块的连接上都实现了严格的闭环控制，保证了产品在使用过程中的安全和稳定特性。

 

图2 东芝无绳电动工具总方框图

 

通过上图能够很直观地看出整个无绳电动工具总体设计，电源连接开关和电池充电管理单元构成电池能源部分；栅极驱动电路、逆变驱动电路及其3相电机构成驱动动力部分；转矩调节部分是由微控制器或者可编程的电机驱动芯片通过外部信号输入来表达驱动能力，实现不同转矩的切换；传感检测部分是由温度传感器时刻检测驱动控制器的温度，发生堵转或者其他故障导致驱动器温度急剧上升就会进行反馈关停。

 

 

器件选型，格外重要

图3是直流有刷电机的驱动示意图。目前，低成本的无绳电动工具中仍然采用有刷直流电机。

 

图3 有刷直流电机驱动示意图

 

该驱动电路中①为双极性晶体管，且要求其VCE具备较高的耐压、IC支持较大的电流的特性，东芝半导体推荐使用自主研发的SOT23封装的PNP管TMBT3906、NPN管TMBT3904、USM封装的NPN管2SC4116来帮助客户实现功能设计。其中②为U-MOS系列的MOSFET，东芝推荐使用DSOP封装的TPWR6003PL、TPWR8004PL，SOP Advance封装的TRHR8504PL、TRHR7404PU、TPH2R408QM、TPH4R008QM，以及DPAK封装的TK5R1P08QM、TK6R9P08QM器件代入设计当中，所有的MOSFET都具备低漏源电阻RDS、小QOSS特性。

 

在电机驱动单元中，若您选择3相无刷直流电机驱动，这里东芝半导体提供了两种设计理念。其一为内部嵌入MOSFET的3相电机驱动控制器，代表器件为TC78B016FTC，该器件具有高效率，支持广泛的转速范围选择，具备噪音低、振动小、功耗低、发热低的优良特性。其二为内部不具有嵌入MOSFET的3相电机驱动器，需要用户额外在驱动器外部设计MOSFET电路，其代表器件为TB6584FNG、TB6584AFNG、TB6634FNG，此类3相电机驱动控制器具备TC78B016FTC优点外还拥有额外的扩展支持。

 

在微控制器控制模块中，需要使用运算放大器、MCU、LDO等。如下图所示：

 

图5 微控制器控制部分电路图

 

其中⑤为运算放大器，要求具备低噪声、低电流损耗特性，推荐使用TC75S67TU来参考设计。⑥为LDO为MCU提供稳定的供电电压，因此需要其具备较低的压差和低的输出电压噪声，这里推荐东芝SOT-25封装的TAR5SB系列产品。MCU是整个无绳电动工具的控制核心，需要有控制电机驱动的通信接口，内部还相应具备3相PWM输出及其高速、高精度的AD转换电路，东芝自主研发的TXZ+4A 系列、TX04系列、TX03系列MCU具备很好的控制驱动能力，可以进行参考配置。

 

最后是充电管理单元。一个安全的电源电路评判标准是内部是否部署隔离元器件以及好的电子保险丝，对于无绳电动设备的电源隔离东芝推荐使用TLP358光耦元器件，具有很好的电流传递能力以及很高的耐温能力。而电子保险丝可以选择使用WSON10B封装的TCKE800NA／NL、TCKE805NA／NL、TCKE812NA／NL、及其WSON10封装的TCKE12BNL，以上电子保险丝都具备IEC 62368-1认证，可重复使用、丰富的保护功能。

 

图6 充电管理单元部分电路图

 

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关于东芝电子元件及存储装置株式会社

东芝电子元件及存储装置株式会社是先进的半导体和存储解决方案的领先供应商，公司累积了半个多世纪的经验和创新，为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统LSI和HDD领域的杰出解决方案。

 

公司22,200名员工遍布世界各地，致力于实现产品价值的最大化，东芝电子元件及存储装置株式会社十分注重与客户的密切协作，旨在促进价值共创，共同开拓新市场，公司现已拥有超过8,598亿日元（62亿美元）的年销售额，期待为世界各地的人们建设更美好的未来并做出贡献。

 

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