FSB50450B/FSB50450BS Motion SPM® 5 系列模块的技术剖析

在电子工程领域，功率模块的性能与可靠性对整个系统的运行起着关键作用。今天，我们就来深入探讨 ON Semiconductor 的 FSB50450B/FSB50450BS Motion SPM® 5 系列模块，看看它有哪些独特之处。

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产品概述

FSB50450B/FSB50450BS 是先进的 Motion SPM® 5 模块，为交流感应、无刷直流（BLDC）和永磁同步（PMSM）电机提供了功能齐全、高性能的逆变器输出级。该模块集成了内置 MOSFET（FRFET® 技术）的优化栅极驱动，可最大程度减少电磁干扰（EMI）和损耗，同时具备多种模块级保护功能，如欠压锁定和热监测。

产品特性

认证与安全

• UL 认证：获得 UL 认证（编号 E209204，符合 UL1557 标准），这意味着该模块在安全性和可靠性方面达到了一定的标准，可放心应用于相关系统中。
• 隔离等级：隔离额定值为 (1500 ~V_{rms} / min)，能有效保障系统的电气隔离，减少不同电路之间的干扰和安全隐患。
• RoHS 合规：符合 RoHS 标准，表明产品在环保方面符合要求，减少了对环境的影响。
• 防潮等级：表面贴装封装（SMD PKG）的湿度敏感等级（MSL）为 3，在一定程度上保证了产品在不同湿度环境下的稳定性。

性能优化

• 高频开关：针对超过 10 kHz 的开关频率进行了优化，能够适应高速开关的应用场景，提高系统的效率和响应速度。
• 低电磁干扰：通过优化设计，有效降低了电磁干扰，减少了对周围电子设备的影响，提高了系统的电磁兼容性。
• 温度监测：内置 HVIC 温度传感功能，可实时监测模块的温度，方便工程师及时采取措施，避免因过热导致的性能下降或损坏。

电路设计优势

• 自举二极管：内置自举二极管，简化了 PCB 布局，减少了外部元件的使用，降低了设计复杂度和成本。
• 三相电流检测：低侧 MOSFET 具有独立的开源引脚，可用于三相电流检测，为系统的控制和保护提供了更准确的电流信息。
• 逻辑接口：采用有源高电平接口，可与 3.3 / 5 V 逻辑兼容，并且具有施密特触发输入，增强了信号的抗干扰能力。

应用领域

该模块主要应用于小功率交流电机驱动的三相逆变器驱动。在工业自动化、家电等领域，小功率交流电机的应用非常广泛，FSB50450B/FSB50450BS 模块能够为这些电机提供高效、可靠的驱动解决方案。

产品规格

绝对最大额定值

分类	符号	参数	条件	额定值	单位
逆变器部分（每个 MOSFET）	(V_{DSS})	漏源电压		500	V
	(*I_{D 25})	连续漏极电流（(T_{C} = 25°C)）		2.2	A
	(*I_{D 80})	连续漏极电流（(T_{C} = 80°C)）		1.4	A
	(*I_{DP})	峰值漏极电流（(T_{C} = 25°C)，(PW < 100 μ s)）		5.0	A
	(*I_{DRMS})	均方根漏极电流（(T{C} = 80°C)，(F{PWM} < 20 kHz)）		1.0	(A_{rms})
控制部分（每个 HVIC）	(V_{DD})	控制电源电压	施加在 (V_{DD}) 和 COM 之间	20	V
	(V_{BS})	高端偏置电压	施加在 (V{B}) 和 (V{S}) 之间	20	V
	(V_{IN})	输入信号电压	施加在 (V_{IN}) 和 COM 之间	(-0.3 ~ V_{DD} + 0.3)	V
自举二极管部分（每个自举二极管）	(V_{RRMB})	最大重复反向电压		500	V
	(*I_{FB})	正向电流（(T_{C} = 25°C)）		0.5	A
	(*I_{FPB})	峰值正向电流（(T_{C} = 25°C)，脉冲宽度小于 1ms）		2.0	A

热阻

符号	参数	条件	额定值	单位
(R_{th(j-c)Q})	结到壳热阻（注意 1）	逆变器 MOSFET 部分（每个模块）	2.3	(°C/W)

总系统

符号	参数	条件	额定值	单位
(T_{J})	工作结温		(-40 ~ 150)	(°C)
(T_{STG})	储存温度		(-40 ~ 125)	(°C)
(V_{ISO})	隔离电压	60 Hz，正弦波，1 分钟，引脚连接到散热板	1500	(V_{rms})

引脚描述

引脚编号	引脚名称	引脚描述
1	COM	IC 公共电源地
2	(V_{B(U)})	U 相高端 MOSFET 驱动偏置电压
3	(V_{DD(U)})	U 相 IC 和低端 MOSFET 驱动偏置电压
4	(IN (UH))	U 相高端信号输入
5	(IN (UL))	U 相低端信号输入
6	N.C	无连接
7	(V_{B(V)})	V 相高端 MOSFET 驱动偏置电压
8	(V_{DD(V)})	V 相 IC 和低端 MOSFET 驱动偏置电压
9	(IN (VH))	V 相高端信号输入
10	(IN (VL))	V 相低端信号输入
11	(V_{TS})	HVIC 温度传感输出
12	(V_{B(W)})	W 相高端 MOSFET 驱动偏置电压
13	(V_{DD(W)})	W 相 IC 和低端 MOSFET 驱动偏置电压
14	(IN (WH))	W 相高端信号输入
15	(IN (WL))	W 相低端信号输入
16	N.C	无连接
17	P	正直流母线输入
18	U, (V_{S(U)})	U 相输出及高端 MOSFET 驱动偏置电压地
19	(N_{U})	U 相负直流母线输入
20	(N_{V})	V 相负直流母线输入
21	V, (V_{S(V)})	V 相输出及高端 MOSFET 驱动偏置电压地
22	(N_{W})	W 相负直流母线输入
23	W, (V_{S(W)})	W 相输出及高端 MOSFET 驱动偏置电压地

电气特性

逆变器部分（每个 MOSFET）

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(BV_{DSS})	漏源击穿电压	(V{IN} = 0 V)，(I{D} = 1 mA)（注意 4）	500			V
(I_{DSS})	零栅压漏极电流	(V{IN} = 0 V)，(V{DS} = 500 V)			1	mA
(R_{DS(on)})	静态漏源导通电阻	(V{DD} = V{BS} = 15 V)，(V{IN} = 5 V)，(I{D} = 1.0 A)	4.3	5.3		Ω
(V_{SD})	漏源二极管正向电压	(V{DD} = V{BS} = 15V)，(V{IN} = 0 V)，(I{D} = -1.0 A)		1.3		V
(t_{ON})	开关时间	(V{PN} = 300 V)，(V{DD} = V{BS} = 15 V)，(I{D} = 1.0 A)，(V_{IN} = 0 V ↔ 5 V)，感性负载 (L = 3 mH)（注意 5）		450		ns
(t_{OFF})	开关时间			500		ns
(t_{rr})	反向恢复时间		70			ns
(E_{ON})	开通能量			25		μJ
(E_{OFF})	关断能量			5		μJ

控制部分（每个 HVIC）

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(I_{QDD})	静态 (V_{DD}) 电流	(V{DD} = 15 V)，(V{IN} = 0 V)，施加在 (V_{DD}) 和 COM 之间		200		μA
(I_{QBS})	静态 (V_{BS}) 电流	(V{BS} = 15 V)，(V{IN} = 0 V)，施加在 (V{B(U)} - U)，(V{B(V)} - V)，(V_{B(W)} - W) 之间		100		μA
(I_{PDD})	工作电流（(V_{DD}) 电源）	(V{DD} = 15 V)，(f{PWM} = 20 kHz)，占空比 = 50%，施加到一个低端 PWM 信号输入		900		μA
(I_{PBS})	工作电流（(V_{BS}) 电源）	(V{DD} = V{BS} = 15 V)，(f_{PWM} = 20 kHz)，占空比 = 50%，施加到一个高端 PWM 信号输入		800		μA
(V_{DD}) 欠压保护检测电平			7.4	8.0	9.4	V
(U_{VDDD})	低端欠压保护（图 8）
(U_{VDDR})	(V_{DD}) 欠压保护复位电平		8.0	8.9	9.8	V
(U_{VBSD})	高端欠压保护（图 9）
(V_{BS}) 欠压保护检测电平			7.4	8.0	9.4	V
(U_{VBSR})	(V_{BS}) 欠压保护复位电平		8.0	8.9	9.8	V
(V_{TS})	HVIC 温度传感电压输出	(V{DD} = 15 V)，(T{HVIC} = 25°C)（注意 7）	600	790	980	mV
(V_{IH})	导通阈值电压（逻辑高电平）	施加在 (V_{IN}) 和 COM 之间	2.9			V
(V_{IL})	关断阈值电压（逻辑低电平）				0.8	V

自举二极管部分（每个自举二极管）

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{FB})	正向电压	(I{F} = 0.1 A)，(T{C} = 25°C)（注意 8）		2.5		V
(t_{rrB})	反向恢复时间	(I{F} = 0.1 A)，(T{C} = 25°C)		80		ns

推荐工作条件

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{PN})	电源电压	施加在 P 和 N 之间		300	400	V
(V_{DD})	控制电源电压	施加在 (V_{DD}) 和 COM 之间	13.5	15.0	16.5	V
(V_{BS})	高端偏置电压	施加在 (V{B}) 和 (V{S}) 之间	13.5	15.0	16.5	V
(V_{IN(ON)})	输入导通阈值电压	施加在 (V_{IN}) 和 COM 之间	3.0		(V_{DD})	V
(V_{IN(OFF)})	输入关断阈值电压	0		0.6	V
(t_{dead})	防止臂短路的消隐时间	(V{DD} = V{BS} = 13.5 ~ 16.5 V)，(T_{J} ≤ 150°C)	1.0			μs
(f_{PWM})	PWM 开关频率	(T_{J} ≤ 150°C)		15		kHz

设计注意事项

电路设计

• 自举电路参数：自举电路元件的参数取决于 PWM 算法。对于 15 kHz 的开关频率，文档中给出了典型的参数示例。在实际设计中，需要根据具体的应用场景进行调整。
• RC 耦合：在 Motion SPM 5 产品和 MCU 的每个输入处使用 RC 耦合（(R{5}) 和 (C{5}) 以及 (C_{4})），可以防止由于浪涌噪声导致的信号异常。
• PCB 布局：PCB 图案中的粗线应短而厚，以减小电路的杂散电感，从而降低浪涌电压。旁路电容（如 (C{1})、(C{2}) 和 (C_{3})）应具有良好的高频特性，以吸收高频纹波电流。

温度测量

在测量外壳温度 (T_{C}) 时，应将热电偶附着在 SPM 5 封装的散热片顶部（如果适用，在 SPM 5 封装和散热片之间），以获得正确的温度测量值。

总结

FSB50450B/FSB50450BS Motion SPM® 5 系列模块凭借其丰富的特性、良好的性能和完善的保护功能，为小功率交流电机驱动提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和设计要求，合理选择和使用该模块，并注意相关的设计注意事项，以确保系统的稳定运行。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。