在5G、物聯(lián)網(wǎng)光環(huán)之下，一個潛在的“黃金產(chǎn)業(yè)”的勢頭正在興起。數(shù)據(jù)顯示，我國智能家電市場規(guī)模正在迅猛增長，2020年達到5155億元，預計2021年將達到5760億元。而其中，BLDC（直流無刷電機）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，許多企業(yè)也已逐漸入局。
日前，德州儀器（TI）為應對傳統(tǒng)交流感應電機轉(zhuǎn)換成BLDC電機面臨的設計挑戰(zhàn)，推出推出無需編程無傳感器磁場定向控制和梯形控制的70W BLDC電機驅(qū)動器，可節(jié)省數(shù)周系統(tǒng)設計時間。
“家中使用的電器產(chǎn)品越來越多，特別是在開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”，德州儀器（TI）電機驅(qū)動器業(yè)務部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說。
從冰箱到料理機，噪音甚至能夠從40dBA到100dBA。因此，電機降噪至關重要。在電機降噪技術上常見三種方法。
其一，阻止傳播，從傳播路徑上進行阻斷或吸音來阻止噪聲傳播；其二，改變噪聲，通過技術手段分析噪聲頻率和噪聲發(fā)源，利用心理聲學改變聲音；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%的能量被電機消耗掉了。因此，提高電機能效非常重要，同時全球在能效上均有相關標準。BLDC是高效率的電機，從交流感應電機過渡到BLDC電機可以降低功耗，但同時也會帶來三大挑戰(zhàn)。
其一，BLDC系統(tǒng)控制非常復雜，開發(fā)周期也會隨之拉長；其二，由于系統(tǒng)變得復雜，硬件電路板和器件也會增多，整體電路板尺寸也會增大，比如在設計BLDC電機驅(qū)動需要類似變頻器的電路板、進行電流采樣、開關器件切換等；其三，設計周期延長提高了開發(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，依然存在上述的挑戰(zhàn)。市場上新一代BLDC電機驅(qū)動逐漸無需變成開發(fā)，但普遍難以優(yōu)化性能或提供的性能不一致。另外，BLDC電機驅(qū)動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)動器的各種挑戰(zhàn)。其一，新產(chǎn)品無需編程，經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，一個資深電氣工程師調(diào)諧電機花費數(shù)周或者數(shù)月，全新產(chǎn)品能夠?qū)⒄{(diào)諧時間縮短為不到10分鐘；其二，產(chǎn)品采用實時控制加快系統(tǒng)響應，假設產(chǎn)品搭載在吸塵器上時，碰到大的負載或障礙物吸力不會減少；其三，新產(chǎn)品擁有許多先進設計，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(qū)動器，二者采用不同技術，前者為磁場定向控制（FOC），后者為梯形控制。與此同時，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？這是因為普遍來說，70W BLDC電機驅(qū)動全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、門極驅(qū)動三部分，這種情況下總元器件數(shù)需要28個，尺寸將近7平方厘米。如果將方案進一步集成，便可獲得更少的器件和更小的面積。
而TI實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，尺寸降低到2平方厘米。MCF8316A和MCT8316A將六個40V、50mΩ MOSFET與柵極驅(qū)動器、電流和電壓感應以及控制器一起集成到一個7mm x 5mm QFN封裝中，這些MOSFET排列在三個 -H橋中。
Kannan介紹，兩款芯片擁有一個共同的功能，即防止總線電壓的泵升。當BLDC電機高速運轉(zhuǎn)且需快速降低速度時，此時電機會變成發(fā)電機，電機本身的能量會反灌到驅(qū)動器的總線上，這種情況下總線電壓會上升，總線電容、變頻器等部分MOS管會因過高電壓而燒毀。于是兩款芯片便內(nèi)置了這一先進的功能，實時檢測總線電壓，同時動態(tài)調(diào)整降速的比例，始終保持總線電壓是安全的。通過這種方式，兩款芯片能夠在降低轉(zhuǎn)速的同時，又能保證總線電壓不超標，且降速時間比傳統(tǒng)時間快50%。
兩款產(chǎn)品也各具特色，MCF8316A作為一款無傳感器磁場定向控制（FOC）電機驅(qū)動器，在電機啟動時能夠自動識別電機參數(shù)，解決參數(shù)不一致的擔憂，同時自動配置PI參數(shù)，無需工程師逐一修正；另外，該芯片可以通過自動死區(qū)時間不長，將噪聲降低多達2dbA。
除此之外，MCF8316A還提供了多種功能，使無傳感器磁場定向控制更容易，電機操作更一致。例如，電機參數(shù)提取工具 (MPET) 提供了一個內(nèi)置的、可離線運行的實用程序來測量電機參數(shù)并自動將它們加載到設備中。TI發(fā)布了一個GUI，其中展示了調(diào)整優(yōu)化電機的每一步過程，可結(jié)合我們的評估模塊一起使用。閉環(huán)電機操作可通過寄存器設置進行配置。多種啟動方式和廣泛的自定義選項使客戶能夠安全可靠地啟動和停止電機。
MCT8316A作為一款無傳感器梯形控制電機驅(qū)動器，可以簡化接口，由于自帶閉環(huán)控制，因此無需使用MCU，5個硬件接口即可實現(xiàn)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)過優(yōu)化的噪音設計，通過內(nèi)部先進算法，工程師可以非常容易地降低噪音。
為什么無刷直流電機更加受到青睞？據(jù)悉，電器內(nèi)部電機在運行時會發(fā)出噪聲，因此靠近人類的電器應用可能會成為“麻煩事”。例如，吊扇必須完全靜音，空氣凈化器可以通過降低噪音使其運行更加高效，從而打造更有區(qū)分度的產(chǎn)品。無刷直流電機通常是最安靜的電機類型，尤其是與機械換向、電刷產(chǎn)生噪音的有刷直流電機相比。控制低噪音電機非常困難，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驅(qū)動電機。如果正弦波有任何失真，就會產(chǎn)生可聽噪聲。除此之外，還需要非常準確地測量電機位置，以便正確驅(qū)動電機。
而從整個生命周期的成本來看，從交流感應電機轉(zhuǎn)換到BLDC頗具性價比。一方面，BLDC整體能效提升了10%-15%，相應的可以減少系統(tǒng)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，且從節(jié)能、能耗及生命周期上來講均具成本優(yōu)勢。
縱觀整個市場，很少有產(chǎn)品能像MCx一樣將功能進行高度集成，且無需編程。此外，市場上沒有其他集成控制器解決方案可以實現(xiàn)70 W的功率傳輸。根據(jù)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(shù)，可以廣泛應用家電中諸如風機、水泵、油泵、風扇、吸塵器等。
除了MCF8316A和MCT8316A，TI還提供諸如C2000的MCU，可與電機驅(qū)動器（如DRV8316）一起使用，以實現(xiàn)分立式的布局。TI擁有豐富的控制、驅(qū)動和傳感產(chǎn)品組合，因此客戶可以為其應用選擇合適的架構。“我們了解市場需求在不斷發(fā)展，而TI通過利用多年的實時控制專業(yè)知識為該領域提供了更多的選擇”。
“我們將繼續(xù)擴展我們的BLDC產(chǎn)品組合，包括控制器、驅(qū)動器和符合汽車安全等級認證的柵極驅(qū)動器等產(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，客戶可以快速實現(xiàn)平滑、準確的電機運動，而不會影響系統(tǒng)和設備的穩(wěn)健性”，發(fā)布會的最后Kannan如是說。
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