本文來(lái)自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/吳子鵬。
近年來(lái)，BLDC電機(jī)正在逐步替代傳統(tǒng)電機(jī)，市場(chǎng)容量在穩(wěn)步提升。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Grand View Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球BLDC電機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模為188.254億美元，預(yù)計(jì)到2030年將會(huì)達(dá)到308.6億美元，其間年復(fù)合增長(zhǎng)率約為6.5%。
當(dāng)前，BLDC由于其高能效、低功耗、高扭矩、低噪音、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，在各行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包括風(fēng)機(jī)、家電、電動(dòng)工具、兩輪電動(dòng)車、泵類、壓縮機(jī)、農(nóng)機(jī)具、汽車、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等。
BLDC控制是MCU廠商的重要方向
在BLDC電機(jī)應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)是非常關(guān)鍵的，因而B(niǎo)LDC需求的穩(wěn)步增長(zhǎng)也帶動(dòng)了驅(qū)動(dòng)芯片的增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年中國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)量為3.26億顆，仍然存在巨大的需求缺口，其中無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為46.95%。
這里的驅(qū)動(dòng)主要定義為驅(qū)動(dòng)IC，如果是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要由三部分組成，分別是電源、弱電部分和強(qiáng)電部分。其中，弱電部分主要包括MCU和外圍電路。因而，BLDC控制是MCU廠商的重要方向。目前，BLDC主流的驅(qū)動(dòng)方式有三種：其一是MCU+門(mén)驅(qū)+MOS/IGBT，其二是SOC+MOS/IGBT，其三是MCU+IPM。三種方案基本是各有側(cè)重，但是能夠看出MCU在BLDC驅(qū)動(dòng)方面的需求是巨大的。當(dāng)然，有些應(yīng)用也會(huì)采用DSP或者FPGA作為控制IC，但隨著MCU廠商入局者越來(lái)越多，加上MCU方案集成度和性價(jià)比越來(lái)越高，這兩種方式逐漸被替代。
在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，MCU作為控制IC主要負(fù)責(zé)控制BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向和扭矩，支持模擬或數(shù)字信號(hào)輸入，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如位置、速度、電流和溫度等。有些時(shí)候，MCU還監(jiān)控溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)，以優(yōu)化電機(jī)性能并防止?jié)撛诘墓收?。在?shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，MCU接收到輸入信號(hào)之后，將決定PWM脈沖的占空比如何變化，以獲得所需的速度和扭矩。
當(dāng)前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展主要受到能效升級(jí)的影響。高效節(jié)能電機(jī)的能效比傳統(tǒng)電機(jī)高，在同樣輸入能量的情況下，能夠獲得更多的輸出能量，這是BLDC/PMSM電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)。據(jù)估算，如果將現(xiàn)行低效電機(jī)全部更換成高效電機(jī)，相當(dāng)于每年可節(jié)約用電2,700億度，減排二氧化碳2.7億噸，約等于2.7個(gè)三峽年發(fā)電量。高效電機(jī)讓BLDC有了更大的發(fā)展機(jī)會(huì)，也給作為驅(qū)動(dòng)控制IC的MCU提出了更高的要求。
國(guó)產(chǎn)BLDC控制IC持續(xù)突破
目前，國(guó)產(chǎn)MCU廠商在BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面已經(jīng)具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，且基本有自己的特色產(chǎn)品，打破了傳統(tǒng)國(guó)際MCU廠商Microchip、TI、ST、英飛凌、NXP等，以及國(guó)際驅(qū)動(dòng)IC廠商TI、羅姆、ALLEGRO、東芝、英飛凌、ST等對(duì)這一領(lǐng)域的壟斷。當(dāng)然，就像我們列舉的廠商重疊度很高一樣，目前在BLDC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制IC和驅(qū)動(dòng)IC融合已經(jīng)成為大趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)廠商在這方面也取得了一些成果。另外，國(guó)產(chǎn)BLDC驅(qū)動(dòng)IC也在致力于將一些其他的關(guān)鍵板載資源融入IC中，以提升工程師的開(kāi)發(fā)效率。
在國(guó)內(nèi)，目前兆易創(chuàng)新、中穎電子、中微半導(dǎo)、國(guó)民技術(shù)、東軟載波、芯海科技、士蘭微、靈動(dòng)微電子、小華半導(dǎo)體、芯旺微、旋智、沁恒微、愛(ài)普特、華芯微特、澎湃微、雅特力、領(lǐng)芯微、航順、泰芯、琪埔維、極海科技等國(guó)產(chǎn)MCU廠商都有產(chǎn)品用于BLDC控制和驅(qū)動(dòng)，另外也有像峰岹科技這樣專注電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的企業(yè)。目前，國(guó)產(chǎn)BLDC控制芯片的融合創(chuàng)新做得也很好。
以峰岹科技三相ASIC系列為例，其中FT8132S等產(chǎn)品型號(hào)是集成預(yù)驅(qū)動(dòng)的，這些IC支持3P3N Pre-driver輸出，死區(qū)時(shí)間可選擇，支持有感FOC(Hall-IC/Hall-Sensor)和有感SVPWM(Hall-IC/Hall-Sensor)。另外，這些IC提供模擬電壓、PWM、I2C、CLOCK調(diào)速，并集成過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、堵轉(zhuǎn)、缺相、Hall異常等多種保護(hù)模式，讓工程師感受到高集成度、電機(jī)噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)。
第二個(gè)例子是靈動(dòng)微的MM32SPIN023C，這也是一款高集成度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCU，采用Cortex-M0內(nèi)核，集成了電機(jī)控制所需的專用模擬外設(shè)，包括12位高精度ADC、2路模擬比較器COMP、2路運(yùn)算放大器OPAMP、功率MOSFETs三相驅(qū)動(dòng)電路，另配備有MC-TIM、硬件除法器HW-Div、DMA控制器等專用資源，以及32KB Flash、4KB SRAM、14個(gè)GPIO、LDO等基礎(chǔ)資源，通過(guò)這樣高度集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，讓工程師能夠快速構(gòu)建起自己的電機(jī)應(yīng)用。
第三個(gè)例子是領(lǐng)芯微的電機(jī)專用MCU，LCP037A*31系列是領(lǐng)芯微32位內(nèi)核的面向電機(jī)控制等應(yīng)用領(lǐng)域的高性能處理器，同時(shí)集成了三個(gè)獨(dú)立PMOS、三個(gè)獨(dú)立NMOS柵極驅(qū)動(dòng)輸出和輸出為5.0V，30mA LDO集成芯片；LCP039BC32GU8是領(lǐng)芯微32位內(nèi)核的面向電機(jī)控制等應(yīng)用領(lǐng)域的高性能處理器，同時(shí)集成了6個(gè)獨(dú)立的N型MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)模塊。在領(lǐng)芯微的電機(jī)專用MCU里，主要提供NN和NP兩大預(yù)驅(qū)動(dòng)模塊，為工程師的方案設(shè)計(jì)賦能。
還有一個(gè)具有代表性的例子是元能芯，該公司其中有一個(gè)系列是“All-in-One”，也就是將MCU、Gate Driver、MOSFET與LDO通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)集成在一個(gè)芯片上，完美解決體積、貼片、散熱等痛點(diǎn)。目前，在“All-in-One”系列下，元能芯提供MYi0002V0405、MYi0002V0403和MYi0002V0402三個(gè)型號(hào)，主打智能功率系統(tǒng)，解決智能電機(jī)系統(tǒng)在升級(jí)過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。
因此，我們能夠看到，在BLDC等電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)控制IC在逐漸豐富產(chǎn)品陣容的同時(shí)，也在逐步提升產(chǎn)品的集成度，不僅是集成必要的接口，也在根據(jù)應(yīng)用方向和需求來(lái)集成電源、保護(hù)功能和驅(qū)動(dòng)，走向更高質(zhì)量的發(fā)展階段。
結(jié)語(yǔ)
隨著B(niǎo)LDC電機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，對(duì)BLDC電機(jī)控制器的需求也將大幅增加。由于終端逐漸向著高集成度、智能化和高能效發(fā)展，在控制芯片里加入驅(qū)動(dòng)、電源和保護(hù)，成為打造高性價(jià)比方案的主流做法，國(guó)產(chǎn)電機(jī)控制IC廠商在這方面也逐漸有所收獲。
