單平臺設(shè)計可降低充電式電動工具的研發(fā)成本

作者：Andy Wang，Allegro MicroSystems 工業(yè)電機(jī)產(chǎn)品線總監(jiān)

電動工具的廣泛應(yīng)用增加了產(chǎn)品開發(fā)成本和時間表

房主和專業(yè)消費者都在從交流供電（有線）工具遷移到直流電池供電（無繩）工具，制造商也在繼續(xù)從直流向無刷直流（BLDC）遷移。隨著這種遷移，對更可靠的工具的需求具有更大的移動性和更長的運行時間，從而催生了大量的行業(yè)研發(fā)投資。

雖然這些發(fā)展令人興奮，但由此產(chǎn)生的無數(shù)新設(shè)計和研發(fā)周期消耗了寶貴的資源并影響了底線。制造商可以使用利用具有電壓范圍和柵極驅(qū)動器功能的單一通用平臺來支持產(chǎn)品組合中產(chǎn)品的設(shè)計，從而降低成本。

從電動螺絲刀到錘鉆再到鏈鋸，這些工具的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用（用于切割、鉆孔、磨削、打磨、整形、拋光等）所需的各種電池電壓和功率構(gòu)成了重大的工程挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)電池電壓為18 V時，電鉆可能消耗400 W，而電鋸在電池電壓高達(dá)80 V時可能消耗數(shù)千瓦。

由于要求因產(chǎn)品和應(yīng)用而異，因此每個產(chǎn)品設(shè)計中的組件選擇也可能有很大差異。具有低電池電壓的低功耗產(chǎn)品的典型方法是片上系統(tǒng)（SoC），它為尺寸和成本提供了最優(yōu)化的解決方案。然而，大多數(shù)SoC沒有能力驅(qū)動更大的MOSFET。設(shè)計人員通常使用分立式方法來驅(qū)動這些較大的負(fù)載，例如帶有微控制器單元（MCU）的柵極驅(qū)動器。隨著電池電壓的增加，需要更高額定值的元件。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計需要不同的解決方案時，資源緊張會影響軟件工程和硬件工程。最后，通常會開發(fā)多個解決方案和平臺，每個解決方案和平臺都有更多的成本和資源需求。

這些應(yīng)用圖說明了對電動工具柵極驅(qū)動器的級聯(lián)要求。SoC可能能夠容納低功耗設(shè)備;然而，中功率和高功率器件需要增加設(shè)計復(fù)雜性，這也可能需要不同的MCU。所有這些考慮因素都會增加成本。

適用于所有應(yīng)用程序的單一平臺解決方案可減少開發(fā)時間和成本

由于依賴使用來自多個供應(yīng)商的分立組件創(chuàng)建的平臺，可以減輕研發(fā)支出的增加，重大的物流挑戰(zhàn)以及延長的上市時間。一種方法是使用帶有柵極驅(qū)動器的通用MCU。雖然可以選擇同時具有電壓范圍和柵極驅(qū)動能力的柵極驅(qū)動器來滿足所有應(yīng)用的需求，但這可能不切實際。具有高電壓范圍的柵極驅(qū)動器通常具有較高的成本，因此對于電池電壓較低的應(yīng)用，將會受到裕量損失。更好的方法是使用兩個具有不同電壓范圍的引腳到引腳插入式替換柵極驅(qū)動器。無論電壓范圍如何，這些柵極驅(qū)動器都應(yīng)具有柵極驅(qū)動強(qiáng)度，以支持低功率和高功率應(yīng)用。

這些柵極驅(qū)動器可用作平臺中的可互換元件，設(shè)計人員可以選擇滿足電壓范圍要求的柵極驅(qū)動器。在MCU加?xùn)艠O驅(qū)動器架構(gòu)中使用引腳對引腳柵極驅(qū)動器作為直接替代品，將創(chuàng)建一個平臺，為產(chǎn)品組合中的所有產(chǎn)品線提供服務(wù)。該解決方案最大限度地重用了現(xiàn)有軟件和IP，并減少了研發(fā)時間和物流費用。

在實現(xiàn)為所有電動工具提供服務(wù)的理想單芯片解決方案之前，使用分立元件作為單平臺解決方案中彼此的直接替代品可能是降低研發(fā)成本的最佳方法，同時為整個電動工具產(chǎn)品線提供服務(wù)。由于分立元件的封裝和引腳排列因供應(yīng)商而異，因此找到可互換元件可能意味著找到單一供應(yīng)商的解決方案。如今，可互換的柵極驅(qū)動器可從單個供應(yīng)商處獲得，作為一個產(chǎn)品系列，服務(wù)于整個電動工具系列。

與基于MCU的方法相比，最佳方法是使用SoC開發(fā)電動工具產(chǎn)品線。這種架構(gòu)將通過消除外部元件來幫助減小PCB尺寸，這將釋放可用于更大電池的空間，或者有助于減小工具的尺寸，減少整體碳足跡。SoC解決方案還將提供更高的可靠性，簡化物流并降低成本。

變化是不可避免的 — 立即做好準(zhǔn)備

隨著業(yè)界對無傳感器解決方案和物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)測，未來的電動工具將提出新的需求。當(dāng)今 BLDC 電動工具平臺中使用的當(dāng)前解決方案將無法支持未來的許多功能。在未來的某個地方，今天的許多開發(fā)平臺將需要改進(jìn)以適應(yīng)新興功能。這意味著重新開發(fā)電動工具平臺的不可避免的費用正在逼近。

如今，電動工具開發(fā)人員將從使用單一平臺設(shè)計產(chǎn)品中受益。分階段遷移的一種方法可能是從MCU加可互換的柵極驅(qū)動器架構(gòu)開始，然后在新解決方案出現(xiàn)時切換到SoC架構(gòu)。通過現(xiàn)在計劃分階段重新設(shè)計單平臺解決方案，該解決方案具有支持當(dāng)前和預(yù)期電動工具需求的適應(yīng)性，可以大大減少未來研發(fā)負(fù)擔(dān)，當(dāng)新功能出現(xiàn)時，產(chǎn)品線將有望迅速滲透市場。

切換到單平臺解決方案是一個重大決定。然而，在存在該功能的未來，很容易想象每個人都將使用基于SoC的方法，以滿足其電動工具組合的需求。對于臨時MCU加?xùn)艠O驅(qū)動器方法，開發(fā)人員需要為這項工作找到合適的可互換柵極驅(qū)動器。通過考慮您當(dāng)前和預(yù)期產(chǎn)品線的需求以及單個供應(yīng)商的離散、可互換組件，您可能能夠看到開發(fā)單一平臺解決方案和級聯(lián)節(jié)省的清晰路徑。未來最敏捷的電動工具提供商可能是那些計劃并開始遷移到單平臺解決方案的人。

審核編輯 黃昊宇