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对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显
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对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

2022-06-01 17:04:00 来源:半导体器件应用网 点击:16530

【哔哥哔特导读】作为终端应用产品的重要角色,BLDC电机控制器也将随着市场需求发生变化。

编者按:

与其他类型电机相比,BLDC电机具备高可靠性、低噪音、高效率、节能降耗等性能优势,并可在较宽调速范围内实现响应快、精度高的变速效果,充分契合终端应用领域对节能降耗、智能控制、用户体验等越来越高的要求。根据机构预测,2018年至2023年期间,中国BLDC电机市场规模年平均增速达15%。

而作为终端应用产品的重要角色,BLDC电机控制器的需求也将随之旺盛。同时伴随节能减排政策以及应用智能化程度加深,应用端对BLDC电机控制器性能和功能上的要求也越来越高。到底怎样的产品才能满足应用需求?BLDC电机控制器的主要应用领域在哪里?未来趋势又会怎么走?

本期《对话》栏目将以BLDC电机控制器为主题,邀请到半导体企业、BLDC电机控制器企业以及电机本体企业共同参与探讨BLDC电机控制器行业的热点话题,揭晓当前的应用和市场情况。以下是本期《对话》的具体问题。

对话问题导览:

1.作为应用方,您对BLDC电机控制器的主控芯片有哪些性能和功能上的诉求?

2.作为芯片设计企业,谈谈BLDC电机控制器主控芯片的应用。贵公司有何特点和优势?

3.BLDC电机控制器应用中,对功率器件是否也有相关的性能要求提高?

4.智能化趋势下,BLDC电机控制器的设计方向怎么样?提出了什么要求或挑战?

5.电机本体厂商对BLDC电机控制器的使用遇到了哪些困扰?有哪些具体要求?

6.针对BLDC电机控制器使用时出现保护措施不到位,经常会导致部分元器件烧坏的情况,您怎么看?

7.简要谈谈BLDC电机控制器的市场或应用趋势。

受访嘉宾:

对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

1.作为应用方,您对BLDC电机控制器的主控芯片有哪些性能和功能上的诉求?

德昌电机干金云:性能方面,主要体现在运行功耗要低,而且可靠性和耐用性要高,在严酷的条件下,要经得起产品的极限试验。环境温度方面,因为目前许多产品做得小型化,散漏方面都比较紧张,所以也有要求。

瑞德智能张均:主控芯片相对比较成熟和完善,我们大概需要的功能模块基本都已经包含。我们在选择的时候,首先性能要求考虑,第一是主频,就是对内核的要求。第二是资源,比如运放、比较器、模块等有没有做内置。如果有内置的话,对我们整个方案布局或者开发来说,就相对比较简洁。功能上其实更多考虑的就是集成度高低的问题。

拓邦股份郝才生:主控芯片应该是差不多快专用了,一般通用芯片适用不了电机控制,主要是ADC、PWM、运算速度的差别。整体来讲,主控芯片的主要特点,一是对内信号采集,二是对外是PWM发布,一进一出,这两方面比较重要。

高科润电子饶勇洲:我们有自己的软件和硬件,目前没遇到什么问题。主控芯片的使用上,基本还是看客户需求。在客户允许的成本范围内,根据客户需要的整个系统,选择对应的MCU。但一般会根据功能够不够用以及软件资源够不够这两方面考量。

朗特智能彭宗伟:现在主要是使用32位MCU,CPU的主频度高。PWM也要符合要求。

2.作为芯片设计企业,谈谈BLDC电机控制器主控芯片的应用。贵公司有何特点和优势?

灵动微电子胡力兴:由于BLDC应用范围广,所以需求也是多种多样。比如单相BLDC的客户会希望把霍尔传感器集成进去;小功率BLDC的客户会希望把MOSFET集成进去,做到更好的机电一体化;直流电机的客户会希望有Predriver也就是预驱;工业的客户对于芯片的可靠性,比如ESD、Latch up的抗性更高,碰到干扰时候芯片更加鲁邦。总而言之,更高的可靠性,更高的集成度,更高的性价比,更高的控制效率是大家对主控芯片的主要诉求。

为此,灵动微电子MCU不但集成了LDO、Predriver、运放、比较器等,部分芯片还集成了MOSFET。为满足客户的性价比要求,灵动微电子专门针对电机应用度身定做芯片,去除无用功能。而对于可靠性要求,灵动微电子多数芯片针对汽车客户而设计,在抗干扰和高可靠性方面有了长足的进展。

航顺芯片白海英:目前BLDC电机应用无处不在,主控芯片也层出不穷。目前BLDC电机控制器的趋势逐步迈向以32位MCU为主的高端控制,性能大大提升,主频也越来越高,集成度也大大提高,例如集成预驱、比较器、运放和电机硬件FOC算法等,并且整体的成本也会越来越低。航顺芯片推出BLDC电机驱动专用芯片HK32ASPIN010系列,主频高达96M,集成硬件FOC算法,内置比较器,适用于各种BLDC的应用场景。

对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

国民技术舒晓华:目前,BLDC电机控制器对主控芯片在性能和功能上的诉求主要体现在MCU高性能、电控算法高性能、电控技术集成化、电控技术SoC化等方面。

作为国内通用MCU、安全芯片的领军企业,国民技术基于对中国电机市场的深刻理解和核心技术驱动力,凭借在业内领先的MCU芯片与SoC技术,以及电机控制算法技术与BLDC电机方案,获得了众多行业客户的信赖,助力电机控制应用持续创新和能效提升。

凌鸥创芯黄致恺:凌鸥创芯的BLDC电机控制器目前在风扇灯市场具有一定的市场份额与优势,具有高度元件整合与算法优势,让客户能够快速且轻易地增加不同项目与型号。目前随着大家电的变频控制逐渐开始启动国产化,凌鸥创芯也专门为了大家电变频的应用上,开发相对应的产品,例如整合了600V高压的驱动与MCU,或是600V all in one产品,让冰箱变频板轻易实现从双面板到单面板;高主频192Mhz带有浮点计算FPU的大容量MCU,可以实践洗衣机主变一体与空调室外机的三合一功能,带来更多产品应用的优势。随着产品的迭代与工艺进步,车规认证的MCU也是外来重点之一,新能源车的电机数量远高于一般油车的数量,具有车规认证的LKS32AT085与带驱动的AT086,在汽车应用上是非常合适的MCU产品。

3.BLDC电机控制器应用中,对功率器件是否也有相关的性能要求提高?

灵动微电子胡力兴:是的。其实不只是功率器件,BLDC电机控制器对其他器件也提高了性能和可靠性的要求。目前第三代半导体器件的研发和推广正如火如荼地进行着,灵动微电子也在密切关注着新功率器件的发展。

航顺芯片白海英:目前在BLDC控制系统中,除了主控芯片,最关键的就是功率器件。如何降低功率管的开关损耗以及延长使用寿命是未来BLDC电机控制器长期面对的难题。随着新一代半导体的崛起,碳化硅的应用越来越多,功率器件体积可以做到越来越小,并且耐高温,耐腐蚀,功耗也将大幅降低。

德昌电机干金云:目前智能化对功率器件的性能要求还不是太迫切。现在技术上的控制,都是往电控方向考虑。

高科润电子饶勇洲:在我看来,基本上通用就行。相对于元器件本身,我们肯定会有一些参数的要求,比如耐压、开通时间和损耗等。调试过程中多多少少会遇到点问题,但是能解决。

瑞德智能张均:肯定有的,功率器件主要是它的参数和生产工艺。生产工艺做不好,温升情况各方面就会比较差。因为我们现在通常会碰到同样的一个方案,换几家的MOS或者IGBT,发现温升情况差别很远,相当于做得好不好,就会很明显。还有产品体积对整个封装来说也有要求。

拓邦股份郝才生:我们肯定是希望功率器件内阻越小越好。

力辉电机易恭才:对我们来讲,因为应用不同,控制器上的功率器件也是不同的,都是针对不同应用去找各家做专门的调试或软件协议。

朗特智能彭宗伟:功率器件要么用MOS,要么用IPM。目前市面上的功率器件,只要能把它转起来,基本上可以满足要求。如果要达到更高的要求,可能还需要进一步地筛选。

捷捷微电于玮诏:我觉得如果纯粹从一个简单的参数去看,会要求MOS的内阻很低。温度反而是次要的,因为它需要用系统的方式做验证。所以判断一个功率器件合不合用,不能够单从它的特性来做决定,而是要在实际测试上发现是否有问题。当控制器的供应商跟MOS提供商花了时间设计好PCB,在软件上进行部分调整。之后即使换了MOS,也能在半年到一年内都没有出现重大问题,这样就能减少风险。

凌鸥创芯黄致恺:功率器件对于电机控制器也是非常关键的元件之一,其导通内阻、导通延迟时间、关断延迟时间、输入电容都是很关键的参数,可以影响驱动控制器的效率,发热,高转速,性能。越好的设计,能效(更低的切换损失)可以有更好的表现,同时功率器件的可靠度也是非常要求的。当可靠度太低时,烧器件、一致性不好等都会造成控制器异常等产品不良的情况。

华羿微电张旭生:目前对于BLDC电机控制器市场向着两大方向去发展,一方面是大扭矩、高转速、大功率,另一方面是高功率密度、小体积。这都对于MOS的动态参数、导通内阻、抗冲击性、功率密度等各项性能提出了新的挑战。

华羿微电针对此市场领域需求,不仅在原有传统封装的基础上拓展了TOLL、TO-263-6L等高功率密度封装形式来满足终端对于功率密度、散热方面的需求;还依次针对传统电机驱动领域推出了HY Trench MOS®系列产品;园林工具、电动工具等大功率、高扭矩电机驱动领域推出了超低内阻(最低至0.38mΩ)、高抗冲击的RobustFET®;以及针对FOC、风扇、工控、AGV、白色家电等领域推出了优动态、低内阻的DynaMOS®,以此全方面的满足市场应用需求。

对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

4.智能化趋势下,BLDC电机控制器的设计方向怎么样?提出了什么要求或挑战?

瑞德智能张均:智能化趋势下,BLDC电机控制器的整体设计方向是要求集成度越来越高,体积越来越小,以及成本是越来越有优势。通常随着集成度做得越高,我们选择的主动性就越强。因为成本是指整套方案的,集成度对于整套方案的成本影响都很明显。

凌鸥创芯黄致恺:智能化表示BLDC电机控制器需要更多的人机互动或是更多的功能,手机透过蓝牙或是Wi-Fi在人机交互的过程中是目前常见的手段之一,所以BLDC电机控制器里面的MCU发展,整合蓝牙功能或协议站功能是目前比较多的要求与挑战,其次是增加flash空间大小与串口,以满足设计更多的智能功能或是外接功能模块。

力辉电机易恭才:整体来讲,集成化方向会比较明显。芯片集成度提升,就意味着PCBA板设计越简单,其他的元器件用得越少,整体加工工艺提升都是显而易见,次品率和成本也会下降。目前多数芯片公司直接找对应的电机厂商合作。例如他们对某个行业感兴趣,就专攻一两个应用领域,把我们需要的功能揉进去,进行芯片设计升级。我们提供电机部分,他们提供配套的芯片部分。

华羿微电张旭生:智能化发展是未来电子领域的必然趋势,此时BLDC电机控制器可能不再是一个单纯的电机驱动,还要具有数据采集、数据传输、物联网交互、人机交互等功能,甚至未来AI算法、大数据算法等也是智能化的基本要素。

因此,在BLDC电机控制器设计上,功率部分、控制部分的分立是一个必然的趋势与方法。而对于方案设计,除了基本电驱性能外,可能还要兼顾以往不太关注的EMC、高次谐波、效率等性能,以应对通讯、数据采集等功能要求。而在硬件方面,智能化的趋势少不了众多模拟IC、MCU、AI芯片、物联网IC等,目前大多数都是依赖于进口,最终还是归根于在成本、供货与国产化替代因素,这也是对未来国产半导体领域的一个重大挑战。

高科润电子饶勇洲:我们基本上还是看客户需求。客户想要什么样子,我们做成什么样子。目前小型化趋势肯定有的,但以前有很多类似芯片出来,跟现在都差不多,没有太大的变化。有些客户要求小型化,但成本会更高一点。

和而泰鲁么尘:BLDC电机控制器在设计的过程中,会把电机运行的参数收集起来,以能更好地评估电机以及产品的运作状态。

国民技术舒晓华:随着智能化技术发展以及国家在提升能效要求方面的法规与政策驱动,人们对产品在环保节能、舒适性、高效率等方面的要求越来越高。变频控制技术可以较好地满足这一需求,成为当前BLDC电机主要发展方向。BLDC电机变频控制在设计上存在如下要求:控制器采用高集成度主控MCU,减少外围器件,缩小PCB尺寸,降低成本并增加环境友好性;确保电机转速平稳,无明显电流噪声,以提升舒适度;根据目标转速快速响应,提高电机控制效率。

5.电机本体厂商对BLDC电机控制器的使用遇到了哪些困扰?有哪些具体要求?

德昌电机干金云:德昌电机拥有五六十个工程师的电子开发团队,目前使用的都是自己开发的控制器。主要是元器件的成本,特别是芯片涨得比较厉害,功率器件也涨,连电阻、电容都跟着涨。

友贸电机张天刚:短时间做出来觉得可以,那不意味着真正成功。只有可靠、耐用、寿命等性能达到客户要求才行。

力辉电机易恭才:控制器中在设计过程中,没办法百分百预防出现这样或那样的问题,很多bug在使用时才逐步出现。主要问题是不兼容、互相冲突,或者保护措施不够,造成部分元器件烧掉,容易显示错误信号等。

其实我们对上游的控制器企业要求最多的实际上就是集成度越高越好,元器件使用数量越少越,相应的整体成本就越低。现有的芯片主要是电流和功率两个方面应用还不够。就算勉强用上,但它的散热也不行,最后温度超出了要求,就会有一定的风险出来。

6.针对BLDC电机控制器使用时出现保护措施不到位,经常会导致部分元器件烧坏的情况,您怎么看?

和而泰鲁么尘:这种情况有时候确实会出现。这就是刚开始生产产品的时候,可能测试不全面。设计方面,与本身软硬保护是否做到位,以及设计的余量是否留足有关。另外器件选型时,可能受到成本的压力,所选器件的阈值降额,使用时超限度,造成过流或过压,导致产品损坏。也有可能是使用的部分国产替代产品质量还不过关。

朗特智能彭宗伟:可能是负反馈上没有做好。功率器件的内阻太高,温度上升,出现发烫,就会容易烧掉。

7.简要谈谈BLDC电机控制器的市场或应用趋势。

灵动微电子胡力兴:BLDC电机市场极其广泛。之前市场上很多应用都是BDC的电机,BDC电机有控制简单,控制电路成本低廉的特点。但随着MCU的普及与成本降低,BLDC电机具有更高的转矩密度,更小的震动噪音等特点开始受到欢迎。而当前算力成本进一步降低,使得FOC算法开始超过方波控制算法,被越来越多的应用所接受。

BLDC电机控制器的应用趋势永远是更高的可靠性,更高的集成度,更高的性价比,更高的控制效率。所以BLDC电机控制器的集成化,专用化趋势将进一步凸显。

航顺芯片白海英:目前BLDC电机市场呈现快速增长的势态,汽车、家电、工具、伺服等行业对BLDC的应用需求激增,导致此行业的景气度快速提升。相关方案公司以及MCU企业都纷纷加入,分食市场红利。目前BLDC电机应用上逐步由方波转向FOC算法,但算法都各有千秋,其中硬件加速算法越来越受算法工程师青睐。航顺HK32MCU针对电机的应用将逐步推出多款高性能的BLDC主控产品。

对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

德昌电机干金云:目前电机使用的都是正弦波的控制方式,BLDC电机是趋势,现在新能源车都会用到,因为牵扯到平稳性和震动噪音方面的问题。一般来说,电机电池兼容要做到5级,几乎是不可能,所以就换用无刷电机。我们产品主要应用在新能源汽车、水泵、离合器等领域。

友贸电机张天刚:希望国产的主控芯片尽快国产化,别被国外卡脖子,这是我最大的心愿,我想大家都这么想的。目前BLDC电机控制器的应用已经渗透到大部分行业,只是所占比重多与少不一样,主要往新能源汽车、电动工具等领域应用比较多。

高科润电子饶勇洲:我觉得市场空间挺大。基本上,吹风机、汽车、玩具、老人代步车和家用风扇等方面都会用到。

瑞德智能张均:基于BLDC电机震动小,噪音小,性能高,节能效率高、寿命长等特点,整个市场的趋势都是在往直流变频方向发展。整体来讲,目前BLDC电机控制器市场占比的份额相对来说还很小,随着应用的广泛扩大,BLDC电机控制器市场的增长空间其实还非常大。

拓邦股份郝才生:目前BLDC电机控制器主要在白色家电、航模、工具和空气动力学四大应用领域的市场占比较大,基本已经能把整个出货量囊括。

力辉电机易恭才:目前最大的市场实际上是在吸尘器,整个设计方面实现创新后,基本被戴森推翻,而且全球其他厂商占据了80%的市场量,其他小厂就做得较少。除了吸尘器设备的升级换代,风扇、洗涤、泵类、电动工具等市场基本上都会被BLDC电机取代。

朗特智能彭宗伟:因为BLDC电机比较节能、转速高以及噪音小,目前在变频空调、冰箱、洗衣机等中高端家电应用较多。只要价格能承受得住,其他带电机转动的设备都能用。

和而泰鲁么尘:从成本上来说,BLDC电机控制器整体方案价格可能相对会高一点,但是随着整体设计的优化和国产替代化的进程加速,包括电机本身的整套控制系统综合成本还是在下降。另外从需求上看,对噪音有强要求的应用场景,还是比较有市场。国家双碳目标下,随着节能减排的推广力度加大,BLDC电机控制器肯定也会是一个市场。从技术上来讲, BLDC电机肯定是我们比较推崇的一种方式。目前BLDC电机控制器在电动工具、吊扇、空调、冰箱、洗衣机等领域应用比较多。

国民技术舒晓华:BLDC电机控制器市场或应用方面,不仅直流无刷电机正在代替有刷电机,而且电机变频控制普及率快速提高,行业应用对高效节能的要求越来越高。

对话|BLDC电机控制器集成化、定制化需求明显

国民技术电机MCU芯片系列产品全面覆盖高、中、低各类电机应用需求,目前N32G455高性能系列、N32G435高性价比系列以及N32G030低成本系列等芯片均已经获得了行业客户的大规模应用和认可,被广泛应用于扫地机、冰箱、空调、无人机、云台、高速风机、水泵、电动自行车、伺服控制器、工业变频器、电梯控制、AGV、车灯、自动升窗器等各种电机应用场景,覆盖家居家电、消费电子、绿色出行、工业控制、汽车电子等多个应用领域。

凌鸥创芯黄致恺:BLDC电机控制器的发展趋势,性能与成本是两大方向。早期控制器主控芯片以ASIC或是DSP为主;ASIC因为使用简单,在小电机上深受欢迎,从小型散热风扇到家用通风扇都可以见到其应用;DSP具有高计算能力,高主频等优势,多应用在工业变频器等比较复杂的环境,但价格与成本较高。随着半导体工艺的发展,以e flash为主的控制器成为主流,周围的OPA(运算放大器)、ACMP(比较器)、LDO还有驱动(Gate Driver)整合进单一封装也是市场常见的方案,具有高集成等优点,可以使PCBA上的元件数量减少,减少PCB的面积,同时增加生产的量率,使得整体BOM成本的降低。

华羿微电张旭生:BLDC电机控制器领域是一个较大的市场领域。目前针对于终端客户群体或使用领域可以分为:如以扫地机、吸尘器为代表白色家电领域;伐木机、电扳手等为代表的电动工具及园林工具领域;电摩、滑板车等为代表的交通工具领域、无人机、童车玩具等为代表的消费类领域,机器人、3D打印机、AGV为代表的工业领域;以及最新的车载电驱的汽车电子领域。

从这些应用领域出现的时间线与要求也可以看到,BLDC市场未来必定趋向于高效化、小体积化及绿色化。此外其会逐步地替代如燃油园林工具等传统机械动力源,以及如空调、空气净化器等交流电机白电领域。

结语

目前,BLDC电机控制器已广泛应用于白电、风机、电动工具和泵类等众多领域。从需求来看,行业下游的应用端越来越青睐于拥有高集成度、高可靠性、高效率、低噪音且可以完成复杂任务等特性的BLDC电机控制器。随着主控芯片、功率器件等半导体器件的优化升级以及节能减排的政策推动,BLDC电机控制器的性能和成本优势将会更加明显。

相信凭借其独特优势,BLDC电机将逐步取代传统电机,成为电机领域的应用主流。而BLDC电机控制器的市场空间也将随之扩大。在市场应用的推动下,BLDC电机控制器未来也将会朝着集成化、小型化、定制化方向深入发展。

 

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