有三種方案可以來實現電機控制設計

Qorvo 電機與電源應用部門經理李方哲在日前的一場電機控制相關的在線研討會中指出，近年來，無論是交流應用領域還是直流應用領域，都越來越多的電器轉向了 BLDC 的方案，這就帶來了 BLDC 方案的需求。而目前，市場上有很多電機控制的方案選擇，為此 Qorvo 的客戶在與他們交流的時候，會在如何選擇方案上提出很多咨詢。

因此在這個線上研討會中，李方哲對當前的電機控制的相關方案做了一個介紹。

李方哲指出，如下圖所示，我們可以看到，現在有三種方案可以來實現電機控制設計，分別是一個 MCU 加大量外圍模擬器件組成的分立方案（如圖左側）、一個 ASIC 加少量外圍模擬器件組成的 ASIC 方案（如圖右側）和把所有器件集成到一個封裝內的集成化方案。

“我們不能很簡單地說這些方案哪個更優(yōu)，而是應該根據應用場景的不同，來選擇更適合的方案”，李方哲說。

從他的介紹我們得知，分立方案這個方案擁有通用性和搭配的靈活性，但需要比較多的芯片數量，這就使得最后 layout 出來的 PCB 板面積比較大；

來到 ASIC 方案，毫無疑問將獲得更好的電路設計，但因為他們很多情況下是針對特定應用而設計的方案，所以其功能、包括算法都是固化的，且其擁有規(guī)定的電壓范圍，這就讓他們在應用的時候喪失了靈活性；

至于集成化方案，他們擁有更少的元器件、更優(yōu)化的電路設計，且擁有相當的靈活性（通過軟件配置），又因為他們將大部分元器件集成到一個封裝里，這使得他們可以在產品上體現更多的創(chuàng)新性功能，但與此同時，他們的缺點也相當明顯。如可替代性幾乎為零，無法兼容和可維修性過低，就是其典型劣勢。

為了更詳細說明不同方案的優(yōu)劣勢，李方哲分別對其組成和工作原理做了更深入的闡述。

李方哲指出，如下圖所示，這是一個典型的分離式設計方案。主要由 MCU、門級驅動、比較器和放大器這幾大模塊組成，因為這些模塊都要供電，這就對電源提出了很高的需求，但因為在這種方案里，各個部件都是獨立的，所以在靈活性和可維修性上，都有其余兩種所無法比擬的優(yōu)勢，但因為方案需要在 PCB 板上放不上很多器件，那就意味著開發(fā)者很難把產品做得很小。

在 ASIC 方面，馬達的 U/V/W 三根控制線直接連到了芯片的引腳，說明驅動方面設計極簡。這個芯片是 180 度的正弦波驅動，需要外掛 HALL 傳感器來檢測轉子位置。芯片設有轉速輸出及轉速調節(jié)輸入腳位，需要一個簡單的控制器來做轉速閉環(huán)控制。另外，為了給芯片供電，還需要搭配一個降壓電路。

在第三種，就是 MCU+IPM 的方案，下圖黃色框圖內就是 IPM 架構，跟 ASIC 不一樣，這個方案更有靈活性。同時這個方案的信號采集是放在 MCU 里，那就使得整個方案的驅動變得更簡單、電路也很優(yōu)化。但前面也說道，這個方案擁有不可替換、功率段是固定下來的劣勢。

“現在的馬達控制發(fā)展的趨勢是集成化，芯片廠商把包括 MOS 驅動部分在內的大部分元器件都集成到一個芯片封裝里面。這種方案帶來的優(yōu)勢是器件會更少，線路會更優(yōu)化，也有靈活性。而劣勢就是廠商之間的器件腳位不兼容，且更換成本較高。又因為驅動被封裝到芯片里，所以其耐壓程度也受到了限制?！保罘秸芙又f。

在電機控制方面，除了硬件有多個不同的選擇外，在驅動方面也有兩種選擇，那就是 FOC 和方波。這些方案都各有優(yōu)劣勢，開發(fā)者該如何選擇呢？

李方哲首先強調，不管是 FOC 控制還是方波控制，雖然都是利用定子制造旋轉磁場拖動轉子轉動，但控制算法不盡相同。如下圖可以看到，FOC 在高頻噪聲、可控性、控制多樣性和轉速范圍都很有優(yōu)于方波的表現。而方波的優(yōu)勢則體現在開關損耗、功率器件選型、MCU 性能選擇、馬達一致性和相關的硬件設計方面。

“因為控制原理的不一樣，方波控制不需要 MCU 擁有更強的性能，在硬件設計上，也無需像 FOC 要考慮太多板子上的 EMI 干擾，簡化開發(fā)者的設計”，李方哲說。

“總結而言，正弦波以性能取勝，方波方案則在成本上有很大的優(yōu)勢。但是我們必須強調一點，方波在某些方面性能也好于 FOC，因此我們在選擇方案的時候，可以參照上表選擇適合自己的方案”，李方哲補充說。

具體到 FOC 方面，市場上也有三電阻電流采樣或者單電阻電流采樣的方案，那么這兩種方案有各有怎樣的優(yōu)劣勢呢？

首先看三電阻電流采樣，根據李方哲介紹，這種方案因為擁有均衡的 PWM，有充足的時間去采樣，這就使得他們在低速過程中表現比較好，并且沒有太多的振動。這是單電阻方案所不能比擬的。據了解，后者在低速的時候，抖動情況非常明顯。此外，在剎車控制方面，三電阻的方案也優(yōu)于單電阻方案。

再看單電阻采樣，因為這個方案采用的是總線電流采集的方式，那就使得其成本比較低，能很容易地檢測到總線電流，電流檢測也相對容易。在硬件設計上也比較簡單，因為只有一路直流電流。但三電阻方案則相對復雜，因為他們采樣的是多路的交流電流。

“總結而言，在 MCU 資源夠的情況下，單電阻方案基本上能滿足客戶的需求，因為他們相對簡單，且成本較低，工程師也希望能在這個方案上給客戶提供更多的支持”，李方哲說。

來到 Qorvo 方面，則可以通過 PAC 系列芯片給電機控制市場提供支持。

據李方哲介紹，所謂 PAC，也是就 Power Application Controller 的簡稱，中文就是電源應用控制器。因為 Qorvo 收購的 Active-semi 之前專攻 AC-DC 類產品，而這系列則是看到當前需求基于之前的經驗而開發(fā)出來的“新”控制器。

“我們這種方案的優(yōu)點是可以把方案做得更小，也很靈活，功能也不錯”，李方哲說。而從上圖我們可以看到，這種集成化的方案不但在元器件上有極大的優(yōu)勢，甚至在成本方面，也有著其他方案難以企及的。

從下圖可以看到，除了工業(yè)領域的 380V 方案以外，Qorvo 幾乎覆蓋了所有的電機控制應用領域。李方哲還透露，Qorvo 在今年有望會推出車規(guī)級的 PAC 產品，進軍汽車領域的電機控制市場。

為了進一步說明 PAC 系列產品的優(yōu)勢，李方哲以 PAC5527 為例對其進行深入說明。

如下圖所示，Qorvo 的 PAC 系列在電源部分沒有用到電感，而是只用兩個電容就實現 24V 輸入的電壓轉換。因為 Qorvo PAC 芯片的引腳是直接拉線連接到功率器件，中間沒有電阻，這就給其帶來成本低、板子小的優(yōu)勢。

“另外，我們這個方案還是可調節(jié)的。芯片里面有多級恒流源，可以讓電機運轉過程中可以更靈活地調整，我們這種集成不是簡單的一加一等于二”，李方哲強調。

除了硬件，我們的軟件也必須要做相應匹配，我們開發(fā)了很多高性能的功能算法模塊，并一直在持續(xù)革新中。有著有其他方案所沒有的優(yōu)勢。

“我們的 PAC 有一個生態(tài)系統(tǒng)，這幾年也一直致力于打造這個系統(tǒng)，便利開發(fā)者的設計”，李方哲說。他進一步指出，在硬件方面，Qorvo 除了提供評估板，還會提供很多相關設計參考；在軟件方面，也是比較齊全，SDK 方面，Qorvo 也解決了行業(yè)內的通用需求，同時還有相當成熟的，對第三方開發(fā)環(huán)境的支持功能。在售后方面，我們國內會有全方位的支持。

對于電機控制開發(fā)者來說，PAC 是個不錯的選擇。