Qorvo：集成化PAC芯片，助推BLDC電機(jī)應(yīng)用多元化

近年來，由于無刷直流電機(jī)（BLDC）具有效率高、壽命長、噪音低等有點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，比如電動(dòng)工具，家電，通用風(fēng)機(jī)水泵等行業(yè)。加上我國提出的25萬億新基建的規(guī)劃，三項(xiàng)無刷直流電機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域的動(dòng)力之源，也勢必會(huì)有更快速的增長。

由于無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要有三大部分：控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器（即我們常說的預(yù)驅(qū)），以及功率MOSFET/IGBT。而在無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，常用的有4種解決方案。這主要是前面提到的大主要部分的不同組合，有傳統(tǒng)的采用分立器件方案；有將柵極驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET集成為IPM的方案；也有將柵極驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)控制器（MCU）的方案；還有將控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET都集成在一起的集成解決方案。

在3月底<電子發(fā)燒友網(wǎng)>舉辦的2020年無刷直流電機(jī)控制技術(shù)研討會(huì)上，來自Qorvo負(fù)責(zé)電機(jī)控制產(chǎn)品的技術(shù)銷售胡洋洋帶來了《PAC三相電機(jī)控制芯片及方案介紹》的分享，介紹了Qorvo的PAC高集成度電機(jī)控制芯片的架構(gòu)、設(shè)計(jì)資源、Qorvo FOC算法，以及PAC適合的應(yīng)用場景及他們能提供的解決方案。

圖1：基于PAC芯片的電機(jī)控制框圖。（來源：Qorvo）

從傳統(tǒng)的三相無刷電機(jī)控制的電路框圖可以看出，通常會(huì)用到DC/DC、LDO、MCU、Gate Driver、運(yùn)放和功率器件等器件?！拔覀兊腜AC方案，就是將這些分立的器件都集成進(jìn)一顆芯片中。這樣與傳統(tǒng)的采用分立器件和IPM的方案相比，用到的IC數(shù)量會(huì)更少，從一般的7顆、5顆，直接減少到了1顆?！焙笱笤诜窒碇斜硎尽?br />
他還指出，相比采用分立方案和采用集成功率模塊的方案，集成方案的IC數(shù)量更少，整體BOM成本會(huì)更低，同時(shí)還可滿足驅(qū)動(dòng)器小尺寸和高可靠性的要求。

PAC的架構(gòu)及差異化的特點(diǎn)

據(jù)胡洋洋介紹，PAC架構(gòu)包括Arm Cortex M0或M4F內(nèi)核的MCU，外圍集成電源管理模塊，柵極驅(qū)動(dòng)模塊，專有的可配置模擬前端。其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

圖2：PAC芯片內(nèi)部架構(gòu)。（來源：Qorvo）

其中MCU，有50MHz的M0和150MHz的M4F兩個(gè)選擇，可適用于不同性能要求的場合；
ADC有10位，1MSPS采樣率，或者12位，2.5MSPS采樣率，兩種選擇；
通信接口有UART、SPI、I2C，CAN適用于不同要求的場合；
可編程電源部分，集成了一個(gè)“all-in-one”的電源管理器，集成支持高達(dá)600V的開關(guān)電源控制器，可以配置位Flyback、高壓Buck或SEPIC拓?fù)?，集成多?a target="_blank">線性穩(wěn)壓器用于芯片內(nèi)部供電?？蓪?shí)現(xiàn)12微安的超低待機(jī)功耗。
此外，它還集成了靈活多級(jí)別的電源和溫度監(jiān)控，包括15V、5V、3.3V、1.8V電壓都可以分別監(jiān)控。在電源保護(hù)方面，它可以接到ADC上，去采樣電源的狀態(tài)，以方便做電源保護(hù)，一旦出現(xiàn)電源異常，會(huì)立即觸發(fā)MCU復(fù)位或者中斷。在溫度監(jiān)控方面，芯片內(nèi)部有溫度監(jiān)控電路，如果溫度超過一定的閾值，就會(huì)發(fā)出一個(gè)MCU的報(bào)警信息，或者會(huì)觸發(fā)MUC的復(fù)位。
電機(jī)控制專用的柵極驅(qū)動(dòng)器方面，集成了高達(dá)2.5A驅(qū)動(dòng)能力的高低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器，可以靈活配置的傳輸延遲和故障檢測。
專有的可配置模擬前端，集成了高性能的3路差分PGA和4路單端PGA用于電壓電流采樣；用于Sensorless BLDC過零點(diǎn)檢測的專用相位比較器，簡化外部電路和算法設(shè)計(jì)。
多達(dá)10個(gè)保護(hù)比較器，可實(shí)現(xiàn)窗口電流檢測和保護(hù)，同時(shí)與PWM預(yù)驅(qū)動(dòng)器聯(lián)動(dòng)，如果有過流故障可迅速切斷輸出；部分產(chǎn)品支持Cycle-by-cycle的電流限制，可以實(shí)現(xiàn)限流或功率限制等功能。

圖3：PAC產(chǎn)品系列。

設(shè)計(jì)資源

對(duì)于電機(jī)控制來說，廠家能夠提供的詳盡的便于上手的設(shè)計(jì)資源，有助于加速項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)程。

“我們除了提供芯片，還有相應(yīng)的硬件資源、電機(jī)控制開發(fā)板；參考設(shè)計(jì)、參考電機(jī)控制算法、MCU SDK、IDE和Programmer，以及第三方支持，有的第三方可以提供先進(jìn)的算法，以及一些Turnkey解決方案等?！焙笱笾赋?。

他還特別提到了Qorvo的無感FOC固件及FOC Auto-Tuning算法。Auto-Tuning是PAC FOC固件版本FOC-4.2以后增加的一個(gè)功能，可以實(shí)現(xiàn)更加簡化的電機(jī)控制參數(shù)調(diào)試，以加速項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)程。

胡洋洋介紹了Auto-Tuning的詳細(xì)使用步驟：首先，根據(jù)頻率帶寬和阻尼因數(shù)得到LBG觀測器的參數(shù)Kpe和Kpi;

圖4：Auto-Tuning的調(diào)試步驟。

第二步，通過一定的算法可以得到一些電機(jī)的參數(shù)，比如電阻、電感的Ld，Lq參數(shù)；
第三步，得到電機(jī)的Kv和J系數(shù)；
第四步，可以把電流環(huán)和速度環(huán)的PI參數(shù)整理出來。

胡洋洋強(qiáng)調(diào)說，通過這些自動(dòng)化的調(diào)試過程，可以將原來2到8個(gè)小時(shí)的調(diào)試過程，簡化到30分鐘內(nèi)。

隨后，胡洋洋還介紹了一些實(shí)際的應(yīng)用案例，比如變頻壓縮機(jī)、吸塵器/高速風(fēng)筒、電動(dòng)工具等應(yīng)用。

變頻壓縮機(jī)應(yīng)用

變頻壓縮機(jī)應(yīng)用包括家用冰箱壓縮機(jī)、車載冰箱壓縮機(jī)、5G基站空調(diào)壓縮機(jī)、駐車空調(diào)壓縮機(jī)等。這類應(yīng)用的特點(diǎn)是，啟動(dòng)難度達(dá)。

胡洋洋介紹了Qorvo的應(yīng)對(duì)方案，他表示，“我們采用的方法是，啟動(dòng)之前用比較大的扭矩，去拉動(dòng)轉(zhuǎn)子，然后迅速切閉環(huán)；另外，電機(jī)控制板是不斷電的，尤其是當(dāng)壓縮機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，需要控制板進(jìn)入低功耗的模式，這要求系統(tǒng)的待機(jī)功耗越低越好?！?/p>

圖5：基于PAC的變頻壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。

剛好PAC方案可以實(shí)現(xiàn)無感FOC的變頻控制，又因?yàn)镻AC芯片內(nèi)部集成了電源管理模塊，在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，可以將系統(tǒng)內(nèi)的多路電源軌切斷掉，保持最小的工作電流，從而可以達(dá)到很低的系統(tǒng)待機(jī)功耗，“可以滿足國家越來越嚴(yán)苛的能效標(biāo)準(zhǔn)。”胡洋洋表示。

吸塵器/高速風(fēng)筒應(yīng)用案例

對(duì)吸塵器/高速風(fēng)筒應(yīng)用來說，高速吸塵器的機(jī)械轉(zhuǎn)速高達(dá)150KRPM，對(duì)應(yīng)到電頻率會(huì)高達(dá)2.5KHz，如果控制頻率也按照2.5KHz來算的話，MCU需要有較強(qiáng)的計(jì)算能力，為了實(shí)現(xiàn)更好性能的FOC控制，ADC的采樣速率和精度，PWM的分辨率也越高越高。

圖6：吸塵器/高速風(fēng)筒的控制技術(shù)點(diǎn)。

除此之外，吸塵器應(yīng)用還對(duì)恒功率控制及保護(hù)、快速啟動(dòng)和低成本方面也有很高的要求。不過胡洋洋表示，Qorvo完整的可產(chǎn)量吸塵器解決方案能夠很好地滿足這些要求。