意法半導體STSPIN32G4重塑電機控制技術創(chuàng)新

如今，工程師在設計電機控制應用時面臨著不少挑戰(zhàn)。他們希望性能更強大的同時還能縮小PCB尺寸并降低成本。此外，應用對效率的要求越來越高，但即便是小幅提升效率依然有很大難度。因此，ST推出了STSPIN32G4——目前唯一一款集成了強大的主流MCU和靈活的電源管理系統(tǒng)的電機控制器，以有效應對這些設計難題。

STSPIN32G4將三相門極驅(qū)動器、STM32G431 MCU和電源管理系統(tǒng)集成于一體，成功解決了重大的工程挑戰(zhàn)，解鎖了更多新的應用場景。

第一大挑戰(zhàn)：

以更小尺寸實現(xiàn)更強大性能

■一體集成，性能飛躍：小身材釋放大能量

STSPIN32G4內(nèi)置的MCU憑借卓越算力，為高端吸塵器高速電機這一場景帶來更強大的性能。在設計無傳感器磁場定向控制（FOC）應用時，如果CPU內(nèi)核性能不足，轉換速率會降低。工程師需要使用兩到三個分流電阻來彌補MCU的性能短板。而STSPIN32G4憑借更強的算力，僅需一個分流電阻即可完成任務。因此，STSPIN32G4能夠以更少的元器件實現(xiàn)更強大的性能，顯著簡化設計并提升效率。

▲STSPIN32G4

■一顆芯片多面手：滿足多元外設需求

STSPIN32G4內(nèi)置的MCU還很受研發(fā)協(xié)作機器人或?qū)б嚨膱F隊歡迎，原因不僅在于其更高的DMIPS性能，還在于其豐富的外設資源。在這種場景下，工程師需要驅(qū)動兩組輪子，但傳統(tǒng)的電機控制器沒有足夠的ADC來應對這一需求，只能使用兩個電機驅(qū)動器。而STSPIN32G4提供了兩組PWM定時器和12位ADC等資源，僅用一顆芯片就能同時驅(qū)動兩個電機，不僅簡化了設計，還降低了系統(tǒng)復雜性和成本。

■集成優(yōu)勢盡顯：空間節(jié)省高達65%

STSPIN32G4的高度集成特性是解決空間難題的理想方案。出于對便捷性、成本的考慮，或為了在市場中脫穎而出，電機控制應用的產(chǎn)品尺寸越來越小。與采用分立元件搭建的解決方案相比，STSPIN32G4出色的集成特性能將整體設計尺寸縮減65%。這樣工程師就可以將控制系統(tǒng)安置在電機的后部，設計出體積更小巧的電動自行車、吸塵器、電動工具等各類產(chǎn)品。

第二大挑戰(zhàn)：

降低成本同時更節(jié)能

■更高效的電源管理：降功耗又省成本

據(jù)基準測試結果顯示，與采用外部組件搭建的系統(tǒng)相比，STSPIN32G4可使整體功耗降低3%至5%。即使只降低1%，也會給應用帶來可觀的影響。ST通過一款極低靜態(tài)電流的穩(wěn)壓器，成功將典型待機功耗降至15μA，從而實現(xiàn)了出色的電源效率。這能幫助工程師們打造出更精巧緊湊的設計方案，而且無需配備外部冷卻系統(tǒng)，因此物料清單（BoM）成本也隨之降低。

此前，系統(tǒng)最高僅支持48V電源電壓，而STSPIN32G4最高可支持75V。此外，它還配備了過流保護機制及作為冗余措施的漏源電壓（VDS）監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)會監(jiān)測外部MOSFET，一旦檢測到過壓情況，就會關閉所有柵極驅(qū)動器的輸出。連接到電網(wǎng)的大型家用電器經(jīng)常受到市電電壓大幅波動的影響。而這款新器件更寬的電源電壓范圍和保護功能能更好地應對這些異常情況。

■更靈活的電源管理：適配多樣應用場景

工程師們在選擇高度集成的解決方案時會有所顧慮，擔心無法在此基礎上進行差異化設計。因此，ST為用戶提供了高度可定制性。比如，開發(fā)人員可借助I2C接口對寄存器編程，以使用STSPIN32G4的VCC降壓轉換器。此外，ST還發(fā)布了一份應用說明，講解了如何通過增添外部組件，將降壓穩(wěn)壓器應用于降壓 - 升壓配置之中。所以，工程師們可以繞開降壓穩(wěn)壓器和低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，僅依賴外部的VCC電源供電。

如果用戶為滿足嚴格應用需求設計了高精度電源，可以忽略STSPIN32G4內(nèi)置的穩(wěn)壓器。而其他用戶則可利用其VCC降壓轉換器為外部組件（如存儲模塊）供電，從而簡化設計。此外，開發(fā)者還可以根據(jù)需要啟用或禁用待機模式。這一特性對于電動工具等產(chǎn)品非常重要。例如，當用戶隔幾個月甚至幾年再次拿起電鉆時，肯定希望電鉆立刻能用。這種情況下，工程師希望將系統(tǒng)與電池完全斷開，以最大限度地延長電池壽命。

工程師在電機驅(qū)動方面也獲得了更大的靈活性。他們可以選擇使用6步驅(qū)動電路或磁場定向控制（FOC），無論是帶傳感器還是無傳感器模式，甚至可以選擇使用一個、兩個或三個分流電阻。這種靈活性使開發(fā)者能夠根據(jù)需求控制測量數(shù)據(jù)的采集量。因此，STSPIN32G4可適用于多種不同的應用場景，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品上市時間并優(yōu)化運營效率。

■開發(fā)利器助力：快速啟動設計之旅

ST推出了兩款開發(fā)板，以幫助開發(fā)團隊測試和驗證STSPIN32G4。其中，EVSPIN32G4開發(fā)板采用了STL110N10F7功率MOSFET并配備了散熱器，支持高達20A RMS的輸出電流，使團隊能夠開發(fā)更高性能的設計。同時，考慮到并非所有設計者都會將STSPIN32G4用于高功率系統(tǒng)，ST又推出了EVSPIN32G4NH開發(fā)板。這款開發(fā)板與EVSPIN32G4類似，但去掉了被動冷卻功能（NH表示“無散熱器”）。此外，ST還更新了X-CUBE-MCSDK，以支持這些新開發(fā)板和器件，為開發(fā)者提供更全面的工具支持。

▲EVSPIN32G4

最近，ST還發(fā)布了兩款參考設計。其中，EVLSPIN32G4-ACT能夠驅(qū)動三相無刷電機，支持高達5A RMS的電流和48V輸入電壓，在62mm x 50mm的電路板上實現(xiàn)250W總功率。此外，它還可以連接到STWIN.box（STEVAL-STWINBX1），快速構建一個高速數(shù)據(jù)記錄器。工程師可借助FP-IND-DATALOGMC軟件包和快速入門指南，按照步驟連接兩塊開發(fā)板，運行能夠從STWIN.box上的傳感器及電機本身收集數(shù)據(jù)的應用程序。ST還提供了一個GUI界面，幫助用戶直觀地查看和分析數(shù)據(jù)。

▲EVLSPIN32G4-ACT

另一款開發(fā)板是EVSPIN32G4-DUAL，集成了STSPIN32G4和STDRIVE101（一款三相半橋門極驅(qū)動器）。該開發(fā)板具備雙功率級設計，能夠驅(qū)動兩個三相無刷電機，支持高達10A RMS輸出電流和74V電源輸入。借助STSPIN32G4的運算放大器，可以實現(xiàn)單分流電阻電流檢測的無傳感器FOC控制，或結合嵌入式MCU使用霍爾傳感器和編碼器。總之，這款參考設計展示了如何以緊湊尺寸實現(xiàn)強大的雙電機應用，適用于家電、電動出行設備、泵、工具等領域。

▲EVSPIN32G4-DUAL