安森美玩起B(yǎng)LDC的技術(shù)“拼圖”

電機作為電機控制與驅(qū)動系統(tǒng)中重要的執(zhí)行器，可以說是無處不在，不夸張地說，電機驅(qū)動著我們這個世界的“運轉(zhuǎn)”。而在眾多類型的電機中，要說近年來表現(xiàn)最為搶眼的，非BLDC（無刷直流）電機莫屬。

所謂無刷直流（BLDC），故名思議，這是與傳統(tǒng)的、歷史更悠久的有刷直流（DC）電機相比較而言的。

具體來講，兩者主要的區(qū)別在于：DC電機是將永磁體作為定子，線圈繞在轉(zhuǎn)上，通過電刷與換向器的機械接觸，將外部的能量傳輸?shù)骄€圈上，通過改變電刷的位置使得線圈上的電流方向發(fā)生變化，線圈一側(cè)與定子永磁體磁極排斥，另一側(cè)與磁極相吸，因而產(chǎn)生連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)；而BLDC中則是將線圈繞在定子上，將永磁體作為轉(zhuǎn)子，通過改變線圈所產(chǎn)生的磁場方向來驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，因而不需要電刷、換向器這樣的機械部件。

BLDC的優(yōu)勢

BLDC電機獨特的結(jié)構(gòu)，決定了其與DC相比，具有很多優(yōu)勢：

1

更大的扭矩

DC電機旋轉(zhuǎn)過程中最大扭矩只能保持一個瞬間，想要獲得更大的扭矩，就需要使用更大的磁鐵。而BLDC的工作原理決定了，在質(zhì)量相同、輸入功率相同的情況下，它可以輸出比DC更大的扭矩。

2

更高的效率

由于BLDC具有良好的控制性，可以精準(zhǔn)地達(dá)到所需的扭矩、旋轉(zhuǎn)數(shù)等目標(biāo)參數(shù)，因此對于電力的利用效率顯然會更高。

3

更長的壽命

DC電機在工作時，電刷和換向器接觸會產(chǎn)生磨損，因而使用過程中可靠性會下降，使用壽命也受限，而且電刷和換向器的摩擦?xí)谢鸹?，限制了其在一些對安全可靠性要求較高的場景中的應(yīng)用。而BLDC則沒有這些問題，因此具有更高的可靠性和更長的使用壽命。

4

更低的噪聲

DC電機中電刷和換向器的機械作用，會產(chǎn)生音頻噪聲，在EMI電磁干擾方面的挑戰(zhàn)也會更大；相較而言，BLDC的開發(fā)中就不需要為這些“噪聲”問題太過勞神。

5

更好的熱性能

DC電機在應(yīng)用中，往往會需要輔助的散熱裝置，這會使得系統(tǒng)的體積增大；而BLDC電機由于效率高，熱性能也更好，在體積上也可以控制得更小。

總之，BLDC電機控制性能好、效率高、可靠耐用、壽命長、外形更緊湊……集諸多優(yōu)點于一身，它受到市場的青睞一點也不奇怪。

快速發(fā)展的BLDC市場

如今，在風(fēng)機、泵、電動自行車、電動工具、壓縮機、農(nóng)機具、汽車電子等很多領(lǐng)域，BLDC電機都成了用戶和開發(fā)者心目中一個優(yōu)選的方案。

比如在傳統(tǒng)家電領(lǐng)域，以空調(diào)電機為例，中國2018年空調(diào)用電機的產(chǎn)量為3.6億臺，其中BLDC電機的產(chǎn)量約為9600萬臺，但其一直保持著穩(wěn)定的增長態(tài)勢，今年突破1億臺沒有什么懸念。而且，相關(guān)能源法規(guī)的制定和不斷加碼，也在進(jìn)一步加速家電行業(yè)BLDC升級換代的進(jìn)程，未來的空間巨大。

在一些新興的應(yīng)用中，BLDC也已經(jīng)占據(jù)了主流，成為必選項。比如在新能源汽車中，每輛車上一般會搭載130到200臺電機，其中BLDC占據(jù)了相當(dāng)大的比率。再比如BLDC主導(dǎo)的電動自行車行業(yè)，根據(jù)歐洲自行車行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2006年到2018年，歐洲市場電動自行車銷量從9.8萬輛增長到了250萬輛，年均復(fù)合增長率達(dá)到31%；也有研究表明，從2020年到2027年電動自行車市場的年均復(fù)合增長率將保持在7-11%。

降低BLDC的技術(shù)門檻

上面說了BLDC電機的萬般好處，但其并非沒有短板，其中最“短”的那一塊，就是BLDC控制驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，成本較高，這也是影響B(tài)LDC滲透和擴張速度主要障礙。

因此如何從技術(shù)的角度出發(fā)，不斷拉低這道BLDC電機的技術(shù)門檻，加速其應(yīng)用開發(fā)的速度，也就成了BLDC技術(shù)發(fā)展中要考慮的最核心的著力點。

一個典型的BLDC電機解決方案通常包括四個部分：

電機控制器：通常是由MCU、DSP等主控芯片負(fù)責(zé)，進(jìn)行電機控制與算法處理，并根據(jù)來自BLDC電機的反饋信號做出響應(yīng)，為柵極驅(qū)動提供6路PWM信號。

柵極驅(qū)動：也被稱為“預(yù)驅(qū)”，會根據(jù)控制器的輸出信號，向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。

功率級：包含MOSFET或IGBT等功率器件，通過開關(guān)動作控制輸出到BLDC負(fù)載上的功率，驅(qū)動電機運動。

反饋回路：將BLDC電機的轉(zhuǎn)速、位置、電流、電壓，以及故障等信號，反饋給控制器，形成控制的閉環(huán)。

目前我們可以看到，BLDC技術(shù)方案的演進(jìn)有兩個明顯的趨勢：一是探索更高集成度，二是提供一站式的整體解決方案。

所謂提升集成度，就是將控制器、柵極驅(qū)動、功率級三個部分進(jìn)行集成，形成不同的解決方案。按照“集成”策略的不同，BLDC技術(shù)方案可以分為四類：三個部分彼此獨立的離散驅(qū)動解決方案；將柵極驅(qū)動和功率MOSFET集成為IPM，“IPM+控制器”的解決方案；將柵極驅(qū)動與控制器集成，再加功率器件的解決方案；將所有三部分都集成在一起的SoC解決方案。

這四類方案各有長短，總的來說，隨著集成度的提升，方案在成本、體積等方面的優(yōu)勢就更明顯，但是在功率、耐壓、靈活性等方面則需要做性能折中，因此根據(jù)特定的BLDC應(yīng)用選擇最合適的方案，就顯得尤為重要。

我們再來看看“一站式”的整體方案。實際上，這就是要有能力為BLDC客戶提供全系列的關(guān)鍵元器件，并且每類元器件中，還要有豐富的產(chǎn)品組合，以適應(yīng)多樣性的應(yīng)用場景要求。

在這方面，安森美（onsemi）就是一個很好的范例。從圖2中可以看到，除了主控MCU和電池包，安森美的產(chǎn)品可以全面覆蓋BLDC中的各個功能模塊，類別包括柵極驅(qū)動器、MOSFET、IPM電源模塊、LDO、電流檢測放大器、電子保險絲 （eFuse）等全系產(chǎn)品。這就像是提供了種類豐富的技術(shù)資源“拼圖”模塊，開發(fā)者只要根據(jù)自己的需要合理地“拼接”這些技術(shù)資源，就能夠設(shè)計出一個理想的BLDC電機“作品”。

透視BLDC“拼圖”模塊

如果我們仔細(xì)探究安森美為BLDC電機準(zhǔn)備的這些技術(shù)“拼圖”模塊，會有更多驚喜的發(fā)現(xiàn)。下面我們就通過幾個經(jīng)典的產(chǎn)品來做個透視。

電隔離式大電流柵極驅(qū)動器

隔離式柵極驅(qū)動器是BLDC技術(shù)方案中非常重要的一環(huán)，它為功率器件提供所需的高壓、高速的驅(qū)動能力，同時具有符合安規(guī)的隔離性能。

安森美提供的電隔離大電流柵極驅(qū)動器具有高瞬態(tài)和電磁抗擾度的特性。如NCx5700x是大電流單通道IGBT驅(qū)動器，支持》5kVRMS（符合UL1577標(biāo)準(zhǔn)）電隔離和》1200VIORM的工作電壓，同時具有互補輸入、開漏故障、就緒輸出、有源米勒鉗位、精確UVLO、DESAT保護、DESAT軟關(guān)斷，以及便于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的獨立高側(cè)和低側(cè)（OUTH和OUTL）驅(qū)動器輸出等功能，有利于提高大功率應(yīng)用的系統(tǒng)效率和可靠性。在應(yīng)用開發(fā)中，安森美的電隔離式大電流柵極驅(qū)動器的半橋節(jié)點無需保護電路，由此可以帶來更大的PCB布局靈活性。

NCx5700x可在輸入側(cè)提供5V和3.3V信號，在驅(qū)動器側(cè)提供較寬的偏置電壓范圍，包括負(fù)電壓能力，可以滿足不同應(yīng)用的要求。NCx5700x系列采用寬體SOIC-16封裝，輸入和輸出之間的爬電距離保證為8mm，以滿足增強的安全絕緣要求。

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Trench6 N溝道MV MOSFET

在BLDC功率級的設(shè)計中，高效率的功率器件必不可少。安森美為此提供了非常豐富的MOSFET產(chǎn)品，其中Trench6 N溝道MV MOSFET是最值得關(guān)注的“代表作”。

該MOSFET系列由于采用先進(jìn)的屏蔽柵極（Shield Gate）功率溝槽工藝，大幅降低了導(dǎo)通電阻，優(yōu)化了開關(guān)損耗，提高了功率密度。這些MOSFET包括30V、40V和60V的產(chǎn)品，具有各種小尺寸封裝選項，支持更大的設(shè)計靈活性。

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電流檢測放大器

在BLDC的反饋回路中，電流檢測放大器用來監(jiān)控電流消耗，為控制器提供有助于系統(tǒng)安全和診斷功能的關(guān)鍵信息。

安森美的電流檢測放大器集成外部電阻器，可以提供精度更高、尺寸更小的解決方案。這些電流檢測放大器可最大限度地減小BOM空間，優(yōu)化性價比，提高系統(tǒng)靈活性。

它們支持-0.3V至+26.0V很寬的共模輸入范圍，電源電壓范圍2.2V至26.0V，具有低失調(diào)電壓、低偏置漂移，在整個溫度范圍內(nèi)都具有高精度，可實現(xiàn)更高功效，還提供符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)并具有PPAP功能的選項，滿足車載BLDC方案設(shè)計要求。

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電子保險絲

在BLDC電機這樣的功率應(yīng)用中，電路保護功能自然少不了。為此，安森美的電子保險絲在單一器件內(nèi)提供了一整套集成解決方案，支持過流、過壓、過熱、反極性和浪涌電流保護，并能夠通過GPIO報告故障和禁用輸出。

安森美的電子保險絲同樣有豐富的產(chǎn)品組合可選，電壓范圍為3V至12V，支持1A至12A連續(xù)電流，有助于在各類BLDC系統(tǒng)緊湊的電路板布局中，提供全面的保護功能。

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寬Vin/Vout LDO穩(wěn)壓器

在BLDC方案內(nèi)部的電源管理設(shè)計中，LDO穩(wěn)壓器是常用的器件。在這方面，安森美的寬Vin/Vout LDO穩(wěn)壓器，是一款值得推薦的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍2.7V至60.0V，輸出電壓范圍1.2V至33.0V，有固定和可調(diào)選項。

該LDO系列產(chǎn)品具有超低靜態(tài)電流（典型值1μA）、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及大輸入和輸出電壓范圍，還可選配高電源抑制比 （PSRR） 和低噪聲等其他特性，有多種封裝類型可選（從最小行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸到更大功率封裝），可以滿足BLDC控制中多樣性的設(shè)計需求。

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BLDC開發(fā)的“新起點”

看了上面展示的這些安森美的設(shè)計資源“拼圖”模塊，你是不是會覺得BLDC方案開發(fā)一定能手到擒來？且慢，實際的設(shè)計開發(fā)過程沒有那么簡單。

據(jù)分析，BLDC方案的開發(fā)過程，從頭到尾要有數(shù)百個決定要做；而令開發(fā)者更撓頭的是，需要面對不同的最終客戶，每個客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護、使用壽命等性能考量，這就讓實現(xiàn)BLDC最終方案的工作量成倍增加。

如果針對每個方案的設(shè)計都是從零開始，這時即使你知道擺在你面前的那些技術(shù)“拼圖”模塊（也就是可供使用的元器件）都很棒，但是想要將它們最終完美的拼接起來，還是會頗費周折，其復(fù)雜性甚至?xí)屓送鴧s步。

為了應(yīng)對這個難題，安森美推出了一個稱為“新的一階近似值起點”（new 1st order approximation starting point）的解決方案，其核心思路就是建立一個完整的柵極驅(qū)動與功率開關(guān)器件的（MOSFET / IGBT）匹配表，用5個表格覆蓋從12V到650V、功率分布高達(dá)6kW的各種BLDC電機的應(yīng)用需求，這樣一來開發(fā)者根據(jù)最終的設(shè)計需求快速查詢表格，就能夠按圖索驥鎖定最合適的柵極驅(qū)動與功率開關(guān)器件組合。

這些表格的清單包括：

BLDC表#1：12V和24V（N-FET）高達(dá)1.1kW

BLDC表#2：48V和60V（N-FET）高達(dá)1.5kW

BLDC表#3：48V和60V（N-FET）高達(dá)3kW

BLDC表#4：300V和400V（IGBT）高達(dá)6kW

BLDC表#5：300V、400V和650V （IPM） 高達(dá)6 kW

圖8：BLDC表#1 - 12V和24V（N-FET）高達(dá)1.1kW（資料來源：安森美）

安森美還提供了一個很好的在線工具，用于構(gòu)建帶有 IPM（集成功率模塊）的BLDC。用戶輸入15種工作條件，該工具會生成多個詳細(xì)的分析表以及12個捕獲關(guān)鍵熱和功率性能的圖表。

所有這些舉措，都能夠?qū)LDC系統(tǒng)的設(shè)計從舊的起點（Old Starting Point）向前大大躍升一步，達(dá)到一個“新起點”，從這里起步，BLDC的整個開發(fā)進(jìn)程也會因此而大為提速。

總而言之，未來10年BLDC電機的應(yīng)用將迎來一個穩(wěn)健而高速的發(fā)展期，誰能快速整合起優(yōu)勢的技術(shù)資源，開發(fā)出最終應(yīng)用所需的解決方案，誰就能夠把握住這一市場機遇。而安森美已將拼接BLDC方案所需的基礎(chǔ)產(chǎn)品模塊和高效的設(shè)計工具擺在了你面前，玩起B(yǎng)LDC的技術(shù)“拼圖”，應(yīng)該會更加得心應(yīng)手，事半功倍。

貿(mào)澤電子和安森美合作，也將與BLDC相關(guān)的一些高質(zhì)量的技術(shù)資料“拼接”在一起，整合在一個在線專題中，想成為BLDC技術(shù)“拼圖”高手，你想要的攻略盡在其中，快來看看吧！

責(zé)任編輯：haq