在5G、物聯(lián)網(wǎng)光環(huán)之下，一個(gè)潛在的“黃金產(chǎn)業(yè)”的勢頭正在興起。數據顯示，我國智能家電市場(chǎng)規模正在迅猛增長(cháng)，2020年達到5155億元，預計2021年將達到5760億元。而其中，BLDC（直流無(wú)刷電機）應用在家電行業(yè)中需求量巨大，總年用量約10億臺，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）為應對傳統交流感應電機轉換成BLDC電機面臨的設計挑戰，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電機驅動(dòng)器，可節省數周系統設計時(shí)間。
“家中使用的電器產(chǎn)品越來(lái)越多，特別是在開(kāi)放性空間設計流行之后，對更低噪聲、更高能效電器的需求日益增長(cháng)”，德州儀器（TI）電機驅動(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，噪音甚至能夠從40dBA到100dBA。因此，電機降噪至關(guān)重要。在電機降噪技術(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，改變噪聲，通過(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。
數據顯示，全球幾近45%的能量被電機消耗掉了。因此，提高電機能效非常重要，同時(shí)全球在能效上均有相關(guān)標準。BLDC是高效率的電機，從交流感應電機過(guò)渡到BLDC電機可以降低功耗，但同時(shí)也會(huì )帶來(lái)三大挑戰。
其一，BLDC系統控制非常復雜，開(kāi)發(fā)周期也會(huì )隨之拉長(cháng)；其二，由于系統變得復雜，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，比如在設計BLDC電機驅動(dòng)需要類(lèi)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，設計周期延長(cháng)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。
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。市場(chǎng)上新一代BLDC電機驅動(dòng)逐漸無(wú)需變成開(kāi)發(fā)，但普遍難以?xún)?yōu)化性能或提供的性能不一致。另外，BLDC電機驅動(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驅動(dòng)器的各種挑戰。其一，新產(chǎn)品無(wú)需編程，經(jīng)驗數據顯示，一個(gè)資深電氣工程師調諧電機花費數周或者數月，全新產(chǎn)品能夠將調諧時(shí)間縮短為不到10分鐘；其二，產(chǎn)品采用實(shí)時(shí)控制加快系統響應，假設產(chǎn)品搭載在吸塵器上時(shí)，碰到大的負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)設計，能夠從源頭上消除噪音。
新產(chǎn)品的具體型號是MCF8316A和MCT8316A，為70W BLDC電機驅動(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？這是因為普遍來(lái)說(shuō)，70W BLDC電機驅動(dòng)全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、門(mén)極驅動(dòng)三部分，這種情況下總元器件數需要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與柵極驅動(dòng)器、電流和電壓感應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(xiàn)電壓的泵升。當BLDC電機高速運轉且需快速降低速度時(shí)，此時(shí)電機會(huì )變成發(fā)電機，電機本身的能量會(huì )反灌到驅動(dòng)器的總線(xiàn)上，這種情況下總線(xiàn)電壓會(huì )上升，總線(xiàn)電容、變頻器等部分MOS管會(huì )因過(guò)高電壓而燒毀。于是兩款芯片便內置了這一先進(jìn)的功能，實(shí)時(shí)檢測總線(xiàn)電壓，同時(shí)動(dòng)態(tài)調整降速的比例，始終保持總線(xiàn)電壓是安全的。通過(guò)這種方式，兩款芯片能夠在降低轉速的同時(shí)，又能保證總線(xiàn)電壓不超標，且降速時(shí)間比傳統時(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）電機驅動(dòng)器，在電機啟動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)識別電機參數，解決參數不一致的擔憂(yōu)，同時(shí)自動(dòng)配置PI參數，無(wú)需工程師逐一修正；另外，該芯片可以通過(guò)自動(dòng)死區時(shí)間不長(cháng)，將噪聲降低多達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，電機操作更一致。例如，電機參數提取工具 (MPET) 提供了一個(gè)內置的、可離線(xiàn)運行的實(shí)用程序來(lái)測量電機參數并自動(dòng)將它們加載到設備中。TI發(fā)布了一個(gè)GUI，其中展示了調整優(yōu)化電機的每一步過(guò)程，可結合我們的評估模塊一起使用。閉環(huán)電機操作可通過(guò)寄存器設置進(jìn)行配置。多種啟動(dòng)方式和廣泛的自定義選項使客戶(hù)能夠安全可靠地啟動(dòng)和停止電機。
MCT8316A作為一款無(wú)傳感器梯形控制電機驅動(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)現速度閉環(huán)和扭矩的控制；能夠提供高達3.5kHz的電機速度；另外，芯片擁有經(jīng)過(guò)優(yōu)化的噪音設計，通過(guò)內部先進(jìn)算法，工程師可以非常容易地降低噪音。
為什么無(wú)刷直流電機更加受到青睞？據悉，電器內部電機在運行時(shí)會(huì )發(fā)出噪聲，因此靠近人類(lèi)的電器應用可能會(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)降低噪音使其運行更加高效，從而打造更有區分度的產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機通常是最安靜的電機類(lèi)型，尤其是與機械換向、電刷產(chǎn)生噪音的有刷直流電機相比�？刂频驮胍綦姍C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)驅動(dòng)電機。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，還需要非常準確地測量電機位置，以便正確驅動(dòng)電機。
而從整個(gè)生命周期的成本來(lái)看，從交流感應電機轉換到BLDC頗具性?xún)r(jià)比。一方面，BLDC整體能效提升了10%-15%，相應的可以減少系統設計包括散熱方面的成本；另一方面，BLDC電機整體生命周期更長(cháng)，且從節能、能耗及生命周期上來(lái)講均具成本優(yōu)勢。
縱觀(guān)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70 W的功率傳輸。根據Kannan的介紹，兩款芯片應用非常廣泛，由于能夠提取不同電機參數，可以廣泛應用家電中諸如風(fēng)機、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，可與電機驅動(dòng)器（如DRV8316）一起使用，以實(shí)現分立式的布局。TI擁有豐富的控制、驅動(dòng)和傳感產(chǎn)品組合，因此客戶(hù)可以為其應用選擇合適的架構�！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(zhuān)業(yè)知識為該領(lǐng)域提供了更多的選擇”。
“我們將繼續擴展我們的BLDC產(chǎn)品組合，包括控制器、驅動(dòng)器和符合汽車(chē)安全等級認證的柵極驅動(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(hù)可以快速實(shí)現平滑、準確的電機運動(dòng)，而不會(huì )影響系統和設備的穩健性”，發(fā)布會(huì )的最后Kannan如是說(shuō)。
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