“有數(shù)據(jù)顯示，全球45%的能量是電機(jī)消耗的，提高電機(jī)能效意義重大。為應(yīng)對(duì)能源消耗，全球很多國(guó)家在能效上均發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。將傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為高效率的BLDC電機(jī)是提高能效的有效手段，與此同時(shí)卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。”德州儀器（TI）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說(shuō)道。
人們需要的是噪聲更低、能效更高的電器
為追求空間敞亮和使用靈活性，在如今的家居空間設(shè)計(jì)中，“開放性”受到追捧。這就意味著在如今的客廳空間里會(huì)放置更多的家電產(chǎn)品，如冰箱、油煙機(jī)、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、烘干機(jī)等。這些家電產(chǎn)品的噪音交織在一起，會(huì)對(duì)空間環(huán)境造成很大的噪音污染。在解決噪音方面，通常有三種方法：
（1）阻止傳播。從傳播路徑上進(jìn)行阻斷，如非開放性空間設(shè)計(jì)中的墻，或通過(guò)吸音系統(tǒng)阻止噪聲傳播。
（2）改變?cè)肼?。利用一些技術(shù)手段改變聲音，如分析噪音頻率，利用一些手段改變它。
（3）從源頭避免。從源頭上避免產(chǎn)生噪音，這也是TI最推崇的一種方法。
常用電器的平均噪聲水平（圖源：TI公司）
每一個(gè)家電產(chǎn)品都會(huì)發(fā)出噪音，因不同的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，產(chǎn)生的噪音大概從40-100dBA不等（測(cè)量聲音的距離通常為人與電器之間的距離，來(lái)源：Nonoise.org）。在開放性空間環(huán)境下，人們對(duì)改善噪音的需求比以往更加強(qiáng)烈。
與此同時(shí)，能效也是人們?cè)谶x購(gòu)家電產(chǎn)品時(shí)重要關(guān)注的問(wèn)題。在中國(guó)，我們常常會(huì)見到電器的右上角貼有“中國(guó)能效標(biāo)識(shí)”標(biāo)簽。類似這種能效標(biāo)志也出現(xiàn)在很多其他的國(guó)家，為了應(yīng)對(duì)能源消耗，各國(guó)發(fā)布了相應(yīng)的能源消耗限制值。
各國(guó)政府的能效標(biāo)志（圖源：TI公司）
“有數(shù)據(jù)顯示，全球45%的能量是電機(jī)消耗的，提高電機(jī)能效意義重大。為應(yīng)對(duì)能源消耗，全球很多國(guó)家在能效上均發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。將傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為高效率的BLDC電機(jī)是提高能效的有效手段，與此同時(shí)卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?！钡轮輧x器（TI）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說(shuō)道。
（1）驅(qū)動(dòng)BLDC，因其系統(tǒng)控制復(fù)雜，開發(fā)周期也很長(zhǎng)。
（2）由于系統(tǒng)復(fù)雜，因而需要的硬件電路板、器件也會(huì)非常多，如變頻器電路板、開關(guān)器件等，電路板尺寸也會(huì)相應(yīng)變大。
（3）軟硬件開發(fā)周期帶來(lái)的開發(fā)成本、器件增加帶來(lái)的材料成本增加，導(dǎo)致系統(tǒng)成本也相應(yīng)增加。
BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在發(fā)展
針對(duì)BLDC電機(jī)在使用中面臨的開發(fā)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，TI認(rèn)為不需要編程會(huì)是很好的解決辦法，可以省去軟件開發(fā)的周期。然而，即使不需要開發(fā)軟件，BLDC電機(jī)在應(yīng)用中依然存在一些問(wèn)題：
（1）由于軟件已經(jīng)編好不能再改變，它帶來(lái)的首要問(wèn)題是很難優(yōu)化性能。
（2）不同電機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出的電機(jī)存在不一致性，將會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能的不一致性。
此外，為了應(yīng)對(duì)電路板尺寸增加造成的成本上升，BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逐漸向高度集成化發(fā)展，由此帶來(lái)諸多亟待改善之處。
兩款新品讓問(wèn)題變得簡(jiǎn)單
近日，TI推出了業(yè)內(nèi)先進(jìn)的70W無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于提供無(wú)需編程無(wú)傳感器的梯形和磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。新產(chǎn)品的具體型號(hào)是MCF8316A和MCT8316A，逐一解決了BLDC驅(qū)動(dòng)器的各種挑戰(zhàn)：
（1）無(wú)需編程，縮短客戶開發(fā)周期。即便已經(jīng)設(shè)計(jì)好軟件，在進(jìn)行軟件性能的優(yōu)化時(shí)也會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一個(gè)資深的電氣工程師調(diào)諧一個(gè)電機(jī)需要花費(fèi)數(shù)周或數(shù)月。TI此次推出的新品可以將這段時(shí)間縮短到10分鐘。
（2）采用實(shí)時(shí)控制。通過(guò)閉環(huán)控制一方面能夠快速響應(yīng)客戶目標(biāo)設(shè)定的變化，另一方面可以應(yīng)對(duì)外部復(fù)雜的變化。如當(dāng)吸塵器負(fù)載突然加重時(shí)，使用實(shí)時(shí)控制，吸力不會(huì)變少。
（3）降低噪音最根本的方式是從源頭來(lái)消除，TI的芯片有很多先進(jìn)的設(shè)計(jì)可以降低噪音的產(chǎn)生。
更小的布板空間
MCF8316A和MCT8316A兩款芯片采用不同的技術(shù)，分別是磁場(chǎng)定向控制和梯形控制，都不需要傳感器。通過(guò)這兩個(gè)產(chǎn)品，可以將整個(gè)方案的尺寸減少70%。
布板空間減小多達(dá)70%（圖源：TI公司）
電機(jī)驅(qū)動(dòng)至少包含三部分：MCU、MOSFET功率器件、柵級(jí)驅(qū)動(dòng)。全分立的方法即MCU搭配門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，再加一些分立的MOSFET，需要28個(gè)器件，面積約7cm2；集成式柵極驅(qū)動(dòng)器方案將MOSFET功率器件集成進(jìn)去后，尺寸面積實(shí)現(xiàn)了縮小；第三種方法是將柵級(jí)驅(qū)動(dòng)和MCU集成在一起，進(jìn)一步縮小面積。
MCF8316A和MCT8316A將三大功能全部集成在一款芯片里，面積僅約2 cm2，這些器件集成了三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和六個(gè)高側(cè)和低側(cè)MOSFET，每個(gè)均具有50mΩ的導(dǎo)通電阻 (RDS(on))。這使得TI先進(jìn)的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可在12V和24V系統(tǒng)中提供高達(dá)70W的功率和8A的峰值電流。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還集成了例如低壓降（LDO）穩(wěn)壓器、直流/直流降壓穩(wěn)壓器和電流檢測(cè)放大器等元件，將周邊的器件由28個(gè)降低為10個(gè)。
快速實(shí)時(shí)控制
兩款芯片都可以防止總線電壓的泵升。通常當(dāng)BLDC電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而需要快速降低它的速度時(shí)，電機(jī)會(huì)變成發(fā)電機(jī)，這時(shí)電機(jī)本身的能量會(huì)反灌到驅(qū)動(dòng)器的總線上，帶來(lái)總線電壓上升，總線電容、變頻器等部分的MOS管會(huì)因此而燒掉。TI兩款芯片的實(shí)時(shí)控制功能會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)總線電壓，同時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)地調(diào)整降速的比例，始終保持總線電壓是安全的。通過(guò)這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能保證總線電壓不超標(biāo)，并且降速時(shí)間比傳統(tǒng)時(shí)間快50%。這是這兩款芯片共同的功能。
兩款新品各具特色
磁場(chǎng)定向控制（FOC）和梯形控制還各有其特點(diǎn)。
無(wú)傳感器BLDC 控制方法（圖源：TI公司）
MCF8316A是磁場(chǎng)定向控制的芯片，電機(jī)參數(shù)不需要電機(jī)廠家提供，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別。這解決了對(duì)同一個(gè)電機(jī)廠商生產(chǎn)出的同一批電機(jī)參數(shù)不一致的擔(dān)憂，且調(diào)整供應(yīng)商后不需要重復(fù)檢測(cè)電機(jī)參數(shù)。此外，芯片可以自動(dòng)配置PI參數(shù)，省去電機(jī)控制工程師復(fù)雜的修正工作，進(jìn)而大大地加速設(shè)計(jì)時(shí)間。
聲學(xué)性能方面，MCF8316A與傳統(tǒng)的控制方式相比，可以將噪聲降低多達(dá)2dBA。奧秘在于芯片采用了TI專利的精密自動(dòng)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償技術(shù)，可補(bǔ)償電流失真，使電流波形更加正弦化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)聲學(xué)性能的優(yōu)化。
MCT8316A采用梯形控制，同樣有它的一些特點(diǎn)：
（1）可以簡(jiǎn)化接口。大部分電機(jī)控制芯片需要配備微控制器（MCU），完成閉環(huán)控制，MCT8316A則自動(dòng)帶閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。使用5個(gè)硬件接口就可以進(jìn)行配置、控制，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和扭矩的控制。
（2）可以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)控制。由于它采用了實(shí)時(shí)控制，可以為需要快速實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用提供高達(dá)3.5 kHz的電機(jī)速度，這種高速的輸出功能對(duì)吸塵器或者無(wú)人機(jī)等器件來(lái)說(shuō)是非常重要的功能。
（3）可以減少噪音。芯片含有一些經(jīng)過(guò)優(yōu)化的噪音設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)部的先進(jìn)算法，使工程師能夠非常容易地降低噪音。
系統(tǒng)成本更低
從交流感應(yīng)電機(jī)過(guò)渡到BLDC電機(jī)可以降低功耗、減少噪音，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本卻出現(xiàn)攀升，但從整個(gè)系統(tǒng)生命周期的成本來(lái)看，這一選擇實(shí)則更具性價(jià)比。
一方面，同性能水平的BLDC電機(jī)將帶來(lái)10%-15%的能效提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括散熱方面在內(nèi)的成本會(huì)相應(yīng)減少；另一方面，MCF8316A和MCT8316A支持BLDC電機(jī)，相對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)整體的生命周期更長(zhǎng)，從整體生命周期來(lái)看，成本相對(duì)更低。
MCF8316A和MCT8316A兩款芯片支持到70W，可以支持高速的應(yīng)用。對(duì)噪聲和能效有較高要求的家電產(chǎn)品是其非常適合的一個(gè)市場(chǎng)，如風(fēng)扇、吸塵器等。此外，由于芯片內(nèi)部集成了多種功能，非常適用于各種不同的電機(jī)，因此對(duì)于水泵、油泵、風(fēng)機(jī)等相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域都可以廣泛地覆蓋到。
