Qorvo下一代智能BLDC控制器的應(yīng)用方案

修枝剪、吹葉機(jī)、鏈鋸和電動(dòng)錘——我們對(duì)春季、夏季和秋季中那些燃油動(dòng)力園藝工具及其發(fā)出的持續(xù)噪聲并不陌生；更不用說(shuō)冬季吹雪機(jī)的嗡嗡聲了。雖然燃油動(dòng)力工具長(zhǎng)期以來(lái)一直是戶外養(yǎng)護(hù)工作的必需品，但近年來(lái)，它們產(chǎn)生的噪音污染和對(duì)環(huán)境的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，尤其是在人口稠密的郊區(qū)。

一些州已經(jīng)開(kāi)始著手解決這些問(wèn)題，通過(guò)制定法規(guī)限制燃油動(dòng)力工具的使用，轉(zhuǎn)而支持更加安靜、清潔的電動(dòng)替代品。例如，華盛頓特區(qū)已實(shí)施了嚴(yán)格的禁令，禁止使用燃油驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)和吹葉機(jī)；佛羅里達(dá)、伊利諾伊、俄勒岡和加利福尼亞的一些城市也紛紛效仿。隨著新型電池技術(shù)被證實(shí)可以作為化石燃料的有效替代，過(guò)去幾年中對(duì)電池驅(qū)動(dòng)工具的需求一直在增加。然而，真正驅(qū)動(dòng)這些電動(dòng)工具高效運(yùn)行的是能夠應(yīng)對(duì)所需高電壓的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。

全面、智能的電機(jī)控制解決方案

下一代電動(dòng)工具需要更新?lián)Q代的電機(jī)及控制器，以便利用所需的高電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)戶外工具，同時(shí)集成安全功能以保護(hù)用戶和設(shè)備；這正是Qorvo的優(yōu)勢(shì)所在。Qorvo公司憑借對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)高壓控制器的豐富專業(yè)知識(shí)，成功推出了智能且高度優(yōu)化的PAC（Power Application Controller）SoC系列產(chǎn)品，可將BLDC或永磁同步電機(jī)（PMSM）可編程電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)IC中，以控制當(dāng)今電壓范圍從44V到600V的電動(dòng)工具。

PAC52xx系列智能控制器能用于大多數(shù)電動(dòng)工具中的直流無(wú)刷電機(jī)，并內(nèi)置了50MHz主頻Arm Cortex-M0內(nèi)核的32位微控制器、帶雙自動(dòng)采樣定序器的高速10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（最小采樣時(shí)間1μs）、靈活的時(shí)鐘源、定時(shí)器、PWM引擎和多個(gè)串行接口。此外，這款SoC還配備了可編程多模式電源管理器、可配置模擬前端和應(yīng)用特定型電源驅(qū)動(dòng)器。

多模式電源管理器（MMPM）就像電源管理領(lǐng)域的“瑞士軍刀”，能夠高效處理不同電壓，并包含一個(gè)多模式開(kāi)關(guān)電源控制器；該控制器可在降壓或SEPIC模式下工作，同時(shí)還擁有多達(dá)四個(gè)線性電壓源。

應(yīng)用特定型電源驅(qū)動(dòng)器（ASPD）可利用高壓電源驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行特定的控制應(yīng)用，如H橋、三相、智能功率模塊（IPM）和通用驅(qū)動(dòng)?？膳渲媚M前端（CAFE）作為SoC的大腦，具備可編程增益放大器、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等功能。這些功能可實(shí)現(xiàn)靈活的信號(hào)采樣、反饋放大和傳感器監(jiān)測(cè)。與微控制器相結(jié)合，此類解決方案為電壓高達(dá)600V的直流電源提供了集成電源管理、驅(qū)動(dòng)、反饋和控制功能的眾多緊湊型應(yīng)用。

圖1，PAC52711

通過(guò)固件實(shí)現(xiàn)安全性

Qorvo現(xiàn)有的PAC5xxx系列產(chǎn)品通過(guò)固件集成了安全功能，實(shí)現(xiàn)針對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓和過(guò)熱等條件的防護(hù)。這些SoC配備有溫度傳感器，能夠經(jīng)由可配置模擬前端的ADC通道進(jìn)行訪問(wèn)，并通過(guò)固件設(shè)置和測(cè)量相關(guān)參數(shù)。

產(chǎn)品提供兩級(jí)溫度保護(hù)，包括溫度警告和溫度故障。當(dāng)裸片溫度達(dá)到140°C時(shí)發(fā)出溫度警告；而當(dāng)芯片溫度達(dá)到170°C時(shí)，將觸發(fā)溫度故障。

Qorvo的下一代智能BLDC控制器

如同所有技術(shù)一樣，電池驅(qū)動(dòng)的工具也在不斷演進(jìn)，以利用最新的創(chuàng)新成果，包括新的電機(jī)改型和更高的電壓。BLDC和PMSM電機(jī)控制器也不例外，其中許多新功能進(jìn)展均針對(duì)B級(jí)安全關(guān)鍵型應(yīng)用，包括鏈鋸、無(wú)繩電鉆、角磨機(jī)等電動(dòng)工具；此類應(yīng)用的故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷害。

Qorvo也對(duì)智能電機(jī)控制器產(chǎn)品進(jìn)行了升級(jí)；其推出的全新PAC52xxx/55xxx平臺(tái)展現(xiàn)了這一成果。此類平臺(tái)通過(guò)集成高階保護(hù)功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，確保了在44V至72V電壓范圍內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)能夠擁有卓越的耐用性。這些產(chǎn)品延續(xù)了該公司一貫的高度集成化設(shè)計(jì)思路，將可編程電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器集成在同一塊芯片上，但又超越了原始的PAC5xxx SoC功能集配置。新品在SoC內(nèi)部集成了硬件級(jí)別的安全功能，而非通過(guò)固件實(shí)現(xiàn)。

Qorvo新推出的PAC52xxx/55xxx系列電機(jī)控制器可用于對(duì)精度、效率和安全性有嚴(yán)格要求的各類應(yīng)用，面向工作電壓在44V至72V的系統(tǒng)。這些要求非常適合電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)工具，包括電鉆、電鋸，甚至用于監(jiān)測(cè)和測(cè)繪的無(wú)人機(jī)。這些工具需要強(qiáng)大的電機(jī)控制器來(lái)應(yīng)對(duì)建筑工地等的嚴(yán)苛環(huán)境；同時(shí)還為最新款電動(dòng)割草機(jī)、修剪機(jī)和吹葉機(jī)等多種園藝工具提供了草坪和花園維護(hù)所需的靈活性。

圖2，PAC52xxx系列中的逐周期保護(hù)

VDS檢測(cè)

新款控制器配備了VDS檢測(cè)功能，用于實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流和短路保護(hù)；該功能包含一個(gè)獨(dú)立的比較器和電平移位器，適用于高壓側(cè)MOSFET。此外，它還為每個(gè)MOSFET提供了可編程的DAC電平基準(zhǔn)和可編程消隱間隔；由于SOA內(nèi)的電流控制為嚴(yán)格，這使得設(shè)計(jì)師能夠選用更小的裸片和成本更低的電子元件；從而提高了可靠性，并在出現(xiàn)意外電流瞬變時(shí)保護(hù)MOSFET。

圖3，柵極驅(qū)動(dòng)器控制

CBC保護(hù)

新款控制器系列還配備了逐周期（CBC）保護(hù)功能，確保控制器能迅速響應(yīng)操作周期內(nèi)出現(xiàn)的任何不利條件或故障；助力設(shè)計(jì)師保障電機(jī)和控制器的安全性及完整性，并顯著降低功率損耗。同時(shí)，它還有助于縮減物料清單（BOM）成本、減少處理器開(kāi)銷，并幫助最大限度地簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

驅(qū)動(dòng)器禁用與制動(dòng)功能

Qorvo的電機(jī)控制產(chǎn)品通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器控制選項(xiàng)帶來(lái)額外的安全功能，讓設(shè)計(jì)人員能夠在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)停用或關(guān)閉為電機(jī)供電的驅(qū)動(dòng)器電路。控制器配有一個(gè)AIO2引腳用于禁用柵極驅(qū)動(dòng)器（nDVRDIS），以及一個(gè)專用的AIO4引腳以在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)強(qiáng)制柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)（nBRAKE）。此外，控制器還配備了額外的ADC輸入，包括具有可編程增益的單端專用緩沖饋電AIO3和AIO5引腳，進(jìn)一步推動(dòng)BOM成本的降低。

Qorvo新款電機(jī)控制器系列不僅適用于電動(dòng)工具，還可廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域；如最新款電動(dòng)自行車（其對(duì)電源效率要求極高）、倉(cāng)庫(kù)中用于跟蹤庫(kù)存的自主機(jī)器人，以及制造業(yè)中作為生產(chǎn)支柱的自動(dòng)化系統(tǒng)。此外，包括家用電器、機(jī)器人技術(shù)、暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、自主駕駛汽車和數(shù)控（CNC）加工等在內(nèi)的眾多領(lǐng)域，也將從Qorvo下一代PAC系列智能電機(jī)控制器中受益。