在5G、物聯(lián)網(wǎng)光環(huán)之下，一個(gè)潛在的“黃金產(chǎn)業(yè)”的勢(shì)頭正在興起。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)智能家電市場(chǎng)規(guī)模正在迅猛增長(zhǎng)，2020年達(dá)到5155億元，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到5760億元。而其中，BLDC（直流無(wú)刷電機(jī)）應(yīng)用在家電行業(yè)中需求量巨大，總年用量約10億臺(tái)，這是非常龐大的市場(chǎng)，許多企業(yè)也已逐漸入局。
日前，德州儀器（TI）為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換成BLDC電機(jī)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，推出推出無(wú)需編程無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制和梯形控制的70W BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可節(jié)省數(shù)周系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。
電器對(duì)噪聲和能效需求日益增長(zhǎng)
“家中使用的電器產(chǎn)品越來(lái)越多，特別是在開(kāi)放性空間設(shè)計(jì)流行之后，對(duì)更低噪聲、更高能效電器的需求日益增長(zhǎng)”，德州儀器（TI）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)部門(mén)總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說(shuō)。
從冰箱到料理機(jī)，噪音甚至能夠從40dBA到100dBA。因此，電機(jī)降噪至關(guān)重要。在電機(jī)降噪技術(shù)上常見(jiàn)三種方法。
其一，阻止傳播，從傳播路徑上進(jìn)行阻斷或吸音來(lái)阻止噪聲傳播；其二，改變?cè)肼暎ㄟ^(guò)技術(shù)手段分析噪聲頻率和噪聲發(fā)源，利用心理聲學(xué)改變聲音；其三，從源頭上避免噪聲，這也是TI所最為推崇的方法。
數(shù)據(jù)顯示，全球幾近45%的能量被電機(jī)消耗掉了。因此，提高電機(jī)能效非常重要，同時(shí)全球在能效上均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。BLDC是高效率的電機(jī)，從交流感應(yīng)電機(jī)過(guò)渡到BLDC電機(jī)可以降低功耗，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)三大挑戰(zhàn)。
其一，BLDC系統(tǒng)控制非常復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期也會(huì)隨之拉長(zhǎng)；其二，由于系統(tǒng)變得復(fù)雜，硬件電路板和器件也會(huì)增多，整體電路板尺寸也會(huì)增大，比如在設(shè)計(jì)BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要類似變頻器的電路板、進(jìn)行電流采樣、開(kāi)關(guān)器件切換等；其三，設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)提高了開(kāi)發(fā)成本，電路板尺寸和器件的增多提高了材料成本。
兩款頗具特色的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片
BLDC在擁有降低噪聲和提高能效的“魔力”的同時(shí)，依然存在上述的挑戰(zhàn)。市場(chǎng)上新一代BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸無(wú)需變成開(kāi)發(fā)，但普遍難以優(yōu)化性能或提供的性能不一致。另外，BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器雖然集成度正在日益提高，但仍有許多亟待改善之處。
Kannan表示，TI推出的新產(chǎn)品逐一解決了BLDC驅(qū)動(dòng)器的各種挑戰(zhàn)。其一，新產(chǎn)品無(wú)需編程，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)資深電氣工程師調(diào)諧電機(jī)花費(fèi)數(shù)周或者數(shù)月，全新產(chǎn)品能夠?qū)⒄{(diào)諧時(shí)間縮短為不到10分鐘；其二，產(chǎn)品采用實(shí)時(shí)控制加快系統(tǒng)響應(yīng)，假設(shè)產(chǎn)品搭載在吸塵器上時(shí)，碰到大的負(fù)載或障礙物吸力不會(huì)減少；其三，新產(chǎn)品擁有許多先進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠從源頭上消除噪音。
新產(chǎn)品的具體型號(hào)是MCF8316A和MCT8316A，為70W BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，二者采用不同技術(shù)，前者為磁場(chǎng)定向控制（FOC），后者為梯形控制。與此同時(shí)，兩款新品均不需要傳感器，可以將整體方案尺寸減少70%。
為什么TI的芯片能夠如此大幅度減小尺寸？這是因?yàn)槠毡閬?lái)說(shuō)，70W BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、門(mén)極驅(qū)動(dòng)三部分，這種情況下總元器件數(shù)需要28個(gè)，尺寸將近7平方厘米。如果將方案進(jìn)一步集成，便可獲得更少的器件和更小的面積。
而TI實(shí)際上是將三大功能全部集成在一款芯片之上，總元器件數(shù)降低為10個(gè)，尺寸降低到2平方厘米。MCF8316A和MCT8316A將六個(gè)40V、50mΩ MOSFET與柵極驅(qū)動(dòng)器、電流和電壓感應(yīng)以及控制器一起集成到一個(gè)7mm x 5mm QFN封裝中，這些MOSFET排列在三個(gè) -H橋中。
Kannan介紹，兩款芯片擁有一個(gè)共同的功能，即防止總線電壓的泵升。當(dāng)BLDC電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)且需快速降低速度時(shí)，此時(shí)電機(jī)會(huì)變成發(fā)電機(jī)，電機(jī)本身的能量會(huì)反灌到驅(qū)動(dòng)器的總線上，這種情況下總線電壓會(huì)上升，總線電容、變頻器等部分MOS管會(huì)因過(guò)高電壓而燒毀。于是兩款芯片便內(nèi)置了這一先進(jìn)的功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)總線電壓，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整降速的比例，始終保持總線電壓是安全的。通過(guò)這種方式，兩款芯片能夠在降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)，又能保證總線電壓不超標(biāo)，且降速時(shí)間比傳統(tǒng)時(shí)間快50%。
兩款產(chǎn)品也各具特色，MCF8316A作為一款無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別電機(jī)參數(shù)，解決參數(shù)不一致的擔(dān)憂，同時(shí)自動(dòng)配置PI參數(shù)，無(wú)需工程師逐一修正；另外，該芯片可以通過(guò)自動(dòng)死區(qū)時(shí)間不長(zhǎng)，將噪聲降低多達(dá)2dbA。
除此之外，MCF8316A還提供了多種功能，使無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制更容易，電機(jī)操作更一致。例如，電機(jī)參數(shù)提取工具 (MPET) 提供了一個(gè)內(nèi)置的、可離線運(yùn)行的實(shí)用程序來(lái)測(cè)量電機(jī)參數(shù)并自動(dòng)將它們加載到設(shè)備中。TI發(fā)布了一個(gè)GUI，其中展示了調(diào)整優(yōu)化電機(jī)的每一步過(guò)程，可結(jié)合我們的評(píng)估模塊一起使用。閉環(huán)電機(jī)操作可通過(guò)寄存器設(shè)置進(jìn)行配置。多種啟動(dòng)方式和廣泛的自定義選項(xiàng)使客戶能夠安全可靠地啟動(dòng)和停止電機(jī)。
MCT8316A作為一款無(wú)傳感器梯形控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以簡(jiǎn)化接口，由于自帶閉環(huán)控制，因此無(wú)需使用MCU，5個(gè)硬件接口即可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和扭矩的控制；能夠提供高達(dá)3.5kHz的電機(jī)速度；另外，芯片擁有經(jīng)過(guò)優(yōu)化的噪音設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)部先進(jìn)算法，工程師可以非常容易地降低噪音。
為什么無(wú)刷直流電機(jī)更加受到青睞？據(jù)悉，電器內(nèi)部電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出噪聲，因此靠近人類的電器應(yīng)用可能會(huì)成為“麻煩事”。例如，吊扇必須完全靜音，空氣凈化器可以通過(guò)降低噪音使其運(yùn)行更加高效，從而打造更有區(qū)分度的產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)通常是最安靜的電機(jī)類型，尤其是與機(jī)械換向、電刷產(chǎn)生噪音的有刷直流電機(jī)相比�？刂频驮胍綦姍C(jī)非常困難，很多情況下必須使用接近正弦波的、非常干凈和平滑的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果正弦波有任何失真，就會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。除此之外，還需要非常準(zhǔn)確地測(cè)量電機(jī)位置，以便正確驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
而從整個(gè)生命周期的成本來(lái)看，從交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換到BLDC頗具性價(jià)比。一方面，BLDC整體能效提升了10%-15%，相應(yīng)的可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括散熱方面的成本；另一方面，BLDC電機(jī)整體生命周期更長(zhǎng)，且從節(jié)能、能耗及生命周期上來(lái)講均具成本優(yōu)勢(shì)。
縱觀整個(gè)市場(chǎng)，很少有產(chǎn)品能像MCx一樣將功能進(jìn)行高度集成，且無(wú)需編程。此外，市場(chǎng)上沒(méi)有其他集成控制器解決方案可以實(shí)現(xiàn)70 W的功率傳輸。根據(jù)Kannan的介紹，兩款芯片應(yīng)用非常廣泛，由于能夠提取不同電機(jī)參數(shù)，可以廣泛應(yīng)用家電中諸如風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、風(fēng)扇、吸塵器等。
除了MCF8316A和MCT8316A，TI還提供諸如C2000的MCU，可與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如DRV8316）一起使用，以實(shí)現(xiàn)分立式的布局。TI擁有豐富的控制、驅(qū)動(dòng)和傳感產(chǎn)品組合，因此客戶可以為其應(yīng)用選擇合適的架構(gòu)�！拔覀兞私馐袌�(chǎng)需求在不斷發(fā)展，而TI通過(guò)利用多年的實(shí)時(shí)控制專業(yè)知識(shí)為該領(lǐng)域提供了更多的選擇”。
“我們將繼續(xù)擴(kuò)展我們的BLDC產(chǎn)品組合，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和符合汽車安全等級(jí)認(rèn)證的柵極驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品。憑借可在任何電壓下提供超高功率密度的廣泛產(chǎn)品組合，客戶可以快速實(shí)現(xiàn)平滑、準(zhǔn)確的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)影響系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)健性”，發(fā)布會(huì)的最后Kannan如是說(shuō)。
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