【经验】直流电机中场效应管损坏原因分析与TVS SMF15CA的驱动防护方案

时间： 2020-05-23 来源：世强

技术问答

市场上大多数按摩仪产品普遍采用直流电机作为动力来源。在笔者设计的一款按摩仪中，也是采用的大扭矩直流电机来提供动力，驱动偏心轮达到振动效果。同时仪器具有可调节强度功能。强度调节是通过PWM调节电机转速从而调节振动强度，电机驱动部分的原理图如下：

图1 原理图一

当CH1低电平时，光耦导通，场效应管G极电压被上拉至10.9V。DS导通，电机开始工作。如要调节强度，则通过CH1进行PWM脉宽调制，调节电机转速。图中D1为电机的续流二极管，用于保护元件不被感应电压击穿或烧坏。

根据上图实现了既定功能，并小批量生产投放市场测试。使用过程中有顾客反馈，有振动头出现不停转的现象。对故障产品进行分析，发现是场效应管击穿损坏了，DS为常通状态，所以电机不停转。

分析场效应管损坏的原因，重新对原理及各器件参数进行分析。发现场效应管的漏源电压为30V，没有比工作电压（12V）高出太多。电机作为感性负载，在启动停止或电机堵转的时候会产生很大的感应电动势，虽然续流二极管可以消耗一部分，但有一定概率在于感应电动势大于漏源电压造成场效应管损坏。

虽然这个问题的故障率非常低，但为了使产品更可靠和用户的口碑，笔者制定了两种解决方案：

1.更换漏源电压更高的场效应管。

2.对场效应管增加TVS保护器件。

通过对两个方案的评估，方案一虽然快速简单，但高电压的场效应管价格相比当前的价格翻倍，成本会增加很多，所以选择了方案二。对TVS进行选型时，由于长期以来公司其他产品一直在用硕凯电子的TVS，各方面参数都不错，表现优异，这次也决定继续采用。根据工作电压（12V）选择了SMF15CA。修改原理图如下：

图2 修改后的原理图

在场效应管DS两侧并联硕凯电子的TVS SMF15CA，使场效应管DS两侧电压钳位在15V，从而起到保护作用。SMF15CA为双向TVS，具有很好的双向钳位能力，而且反向漏电流仅为1μA，峰值功率高达200W，保护响应时间仅为1.0ps。符合IEC-61000-4-2标准的空气放电15kv，接触放电8kv的要求。器件封装为SOD-123，体积很小。作为国产元件，价格也很有优势。整体评估下来该产品非常具有性价比，于是进行了实装。

最终产品图如下：

图3 产品图

改进后，对电机进行大量多次堵转测试，仍然能够正常工作。投放市场测试没有再出现类似问题，成功解决了客户问题。

此次解决问题的过程中，如果更换高电压的场效应管成本会增加较多，不利于客户。本文给出的方案仅仅增加一个非常便宜的TVS（SMF15CA）就有效解决了问题，且设计较为简单。因此笔者将此经验分享出来，欢迎大家参考。

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型号- 40D271K,P4SMA16A,SMAJ6.0CA,SMAJ40CA,SC3E6-300MM,SC30 SERIES,30KPA170CA,SMF10CA,KD-012,SCF035-30-1206R,SC2E6-350LSMD,5.0SMDJ170A,SCF1210,8.0SMDJ24A,SC3E5-600LM,SMDJ78CA,RCF300-1812R,SC3E8-150HMF,KD-015,SCGB-H SERIES,KD-025,KD-020,SCGB1005-B SERIES,SCF1206,5.0SMDJ300CA,SC3E6-420MM,1.5SMC13CA,SMCJ14CA,P4SMA18A,TH8S15CA,SCPB4516S600WTF,5.0SMDJ85A,SC2E8-2500LL,P4SMA16CA,SC2E8-250HL,SMCJ100CA,SC2E8-1600LL,20KPA48CA,53D112K,34S210K/40,SMBJ300A,5KP30A,SMF120CA,SMBJ150CA,SMDJ170A,8.0SMDJ26A,SCPB1608S301NPF,SMAJ70A,P4SMA520A,53D681K,SCF050-24-1206R,3KP80CA,SMDJ58A,32D122K,SA48CA,SMCJ30A,SC2H8-5000LL,SCGB1608H200HPF,SCGB1608H301EPF,SA180A,SCPB1068W471LPF,SMF190A,SA22CA,SCF110-1812,P6KE8.2CA,SMAJ100A,SC250-600,8.0SMDJ20A,SCF160-16-1812R,P4KE180A,5.0SMDJ170CA,SC2E8-250ML,SA110CA,30KPA54CA,P4SMA82CA,SC3E5-230LM,SMF3.3A,SMDJ54A,30KPA198A,SMDJ160CA,3KP14CA,20KPA180A,SMBJ400CA,5KP 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SERIES,SMCJ26CA,SA75A,TH8D,20KPA24A,TH8S,SMDJ43A,1.5SMC91CA,SCHB1608W601EPF,1.5SMC180CA,20KPA300CA,SCPB-S SERIES,1.5KE250A,SCF012-0603R,SA78A,53D361K,SMAJ85CA,P4SMA200A,SA190A,K1-076,1.5KE8.2A,2

选型指南 - 硕凯电子 - Ver Feb.2019 - Feb.2019 PDF 中文下载

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