Qorvo打造耐用的BLDC電機(jī)控制應(yīng)用

以下文章來(lái)源于Qorvo Power，作者Qorvo

下一代電池驅(qū)動(dòng)工具需要配備能夠利用高電壓驅(qū)動(dòng)戶外作業(yè)的電機(jī)和控制器，同時(shí)集成安全功能，以保護(hù)用戶和設(shè)備。Qorvo憑借其在無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)高壓控制器方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，在這一領(lǐng)域大顯身手。Qorvo高度集成的智能電源應(yīng)用控制器（PAC）片上系統(tǒng)（SoC）產(chǎn)品組合，可以將BLDC或永磁同步電機(jī)（PMSM）可編程電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)集成電路（IC）中，以控制現(xiàn)今工作電壓范圍從44V至600V的動(dòng)力工具。

BLDC電機(jī)在需要高效率、高可靠性和精確控制的應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)這些應(yīng)用涉及關(guān)鍵安全功能時(shí)，通常需要滿足如B類(lèi)認(rèn)證等嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)；以下是BLDC電機(jī)控制應(yīng)用需要B類(lèi)安全認(rèn)證的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：

電動(dòng)工具：

包括電鉆、電鋸，乃至檢測(cè)與測(cè)繪無(wú)人機(jī)等；以及為草坪和花園維護(hù)帶來(lái)所需靈活性的最新型電動(dòng)割草機(jī)、修剪機(jī)和吹葉機(jī)。

汽車(chē)：

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）：確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全運(yùn)行，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)（EV）：用于車(chē)輛推進(jìn)的電機(jī)控制系統(tǒng)，以及需要滿足高安全標(biāo)準(zhǔn)，從而確保乘客安全和車(chē)輛可靠性的各類(lèi)子系統(tǒng)。

電動(dòng)自行車(chē)和自主駕駛汽車(chē)：（在這些車(chē)輛中，）精確控制和功率效率至關(guān)重要。

工業(yè)自動(dòng)化：

機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備：確保制造過(guò)程中的安全可靠運(yùn)行，并跟蹤倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存，從而保護(hù)工人及設(shè)備。

輸送系統(tǒng)：需要安全且一致的運(yùn)行，以確保物料處理過(guò)程中不發(fā)生事故。

家用電器：

洗衣機(jī)：確保電機(jī)控制安全，防止過(guò)熱或機(jī)械故障。

冰箱：可靠的電機(jī)運(yùn)行對(duì)于保持恒定溫度并避免（食物）變質(zhì)至關(guān)重要。

家庭自動(dòng)化和智能設(shè)備：

暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)：安全的電機(jī)控制對(duì)于可靠、高效的供暖、通風(fēng)和空調(diào)十分必要。

智能鎖和安全系統(tǒng)：確?？煽窟\(yùn)行，以維護(hù)安全并防止未授權(quán)訪問(wèn)。

航空航天和國(guó)防：

無(wú)人機(jī)：其電機(jī)控制系統(tǒng)需要高可靠性和高精確度，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航（功能）與穩(wěn)定性。

飛機(jī)執(zhí)行器：確?？刂聘鞣N飛機(jī)部件的安全性及可靠性。

B類(lèi)安全認(rèn)證的關(guān)鍵要素

為獲得B類(lèi)安全認(rèn)證，BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)必須解決幾個(gè)關(guān)鍵方面（的問(wèn)題）：

故障檢測(cè)與管理：實(shí)施強(qiáng)大的故障檢測(cè)機(jī)制，以處理過(guò)流、過(guò)壓和熱過(guò)載等問(wèn)題。

冗余設(shè)計(jì)：采用冗余系統(tǒng)，確保在發(fā)生故障時(shí)仍能持續(xù)運(yùn)行。

隔離措施：確保適當(dāng)?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣隔離，以防止安全隱患。

安全監(jiān)控：持續(xù)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，以監(jiān)測(cè)和消除潛在故障。

合規(guī)性測(cè)試：通過(guò)嚴(yán)格測(cè)試確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)；如家用電器的IEC 60730標(biāo)準(zhǔn)或車(chē)載應(yīng)用的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。

Qorvo不斷推進(jìn)智能電機(jī)控制器的技術(shù)革新；其PAC52xxx/55xxx系列便是這一領(lǐng)域的卓越典范。這些平臺(tái)為運(yùn)行于44V至72V的系統(tǒng)，配備集成式高階防護(hù)功能，簡(jiǎn)化了穩(wěn)固可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。該系列產(chǎn)品延續(xù)了公司一貫的高度集成化設(shè)計(jì)思路，將ARM Cortex MCU、模擬前端、電源管理和驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)芯片；同時(shí)更增加了針對(duì)安全關(guān)鍵型應(yīng)用的特性，超越了原始PAC5xxx SoC的功能集。

原始的PAC5xxx系列智能控制器能夠處理大多數(shù)電動(dòng)工具中的BLDC電機(jī)，內(nèi)置50MHz Arm Cortex-M0 32位微控制器、帶雙自動(dòng)采樣定序器的高速10位1微秒（μs）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、靈活的時(shí)鐘源、定時(shí)器、PWM引擎和多個(gè)串行接口。該SoC還配備了可編程多模式電源管理器、可配置模擬前端和專(zhuān)用電源驅(qū)動(dòng)器。

多模式電源管理器（MMPM）如同電源管理的“瑞士軍刀”，能夠高效地處理不同的電壓，并包含一個(gè)可在降壓或SEPIC模式下工作的多模式開(kāi)關(guān)電源控制器，以及多達(dá)四個(gè)線性電源。

專(zhuān)用電源驅(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)。

可配置模擬前端（CAFE）作為SoC的大腦，具有可編程增益放大器、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等。此類(lèi)功能允許靈活的信號(hào)采樣、反饋放大和傳感器監(jiān)控。與微控制器一起，這些解決方案為高達(dá)600V的直流電源提供集成電源管理、驅(qū)動(dòng)、反饋和控制功能等眾多緊湊應(yīng)用。

集成安全功能：安全性是電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面，特別是在運(yùn)行條件苛刻的電動(dòng)工具中。Qorvo的控制器通過(guò)固件集成了安全性，為所有應(yīng)用提供溫度感測(cè)及保護(hù)功能。

溫度感測(cè)與保護(hù)：SoC內(nèi)置溫度傳感器，可經(jīng)由CAFE的ADC通道訪問(wèn)，并通過(guò)固件設(shè)置和測(cè)量參數(shù)。

溫度保護(hù)分為兩個(gè)級(jí)別，包括過(guò)溫警告和過(guò)溫故障。當(dāng)芯片溫度達(dá)到140°C時(shí)觸發(fā)溫度警告；而當(dāng)溫度升至170°C時(shí)則會(huì)產(chǎn)生過(guò)溫故障。固件中采用字母和數(shù)字系統(tǒng)來(lái)標(biāo)識(shí)問(wèn)題發(fā)生的位置、遇到的溫度和電壓讀數(shù)，以明確警告和故障的性質(zhì)。問(wèn)題排除后，這些警告和故障可以被重置。

VDS感測(cè)：新款控制器配備了VDS感測(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)的電流控制更為嚴(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。

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)人員保障電機(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(xiāo)，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?？刂破髋溆幸粋€(gè)AIO2引腳用于禁用柵極驅(qū)動(dòng)器（nDVRDIS），以及一個(gè)專(zhuān)用的AIO4引腳以便在出現(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(zhuān)用緩沖饋電AIO3和AIO5引腳，進(jìn)一步推動(dòng)BOM成本的降低。

Qorvo電機(jī)控制器產(chǎn)品家族不僅適用于電動(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(chē)（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(chē)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。展望未來(lái)，其前景一片光明。