Qorvo：集成化PAC芯片，助推BLDC電機應用多元化

近年來，由于無刷直流電機（BLDC）具有效率高、壽命長、噪音低等有點，在各個行業的應用越來越廣泛，比如電動工具，家電，通用風機水泵等行業。加上我國提出的25萬億新基建的規劃，三項無刷直流電機作為工業領域的動力之源，也勢必會有更快速的增長。

由于無刷直流電機的驅動電路主要有三大部分：控制器、柵極驅動器（即我們常說的預驅），以及功率MOSFET/IGBT。而在無刷直流電機的控制系統中，常用的有4種解決方案。這主要是前面提到的大主要部分的不同組合，有傳統的采用分立器件方案；有將柵極驅動器和功率MOSFET集成為IPM的方案；也有將柵極驅動器集成進控制器（MCU）的方案；還有將控制器、柵極驅動器和功率MOSFET都集成在一起的集成解決方案。

在3月底<電子發燒友網>舉辦的2020年無刷直流電機控制技術研討會上，來自Qorvo負責電機控制產品的技術銷售胡洋洋帶來了《PAC三相電機控制芯片及方案介紹》的分享，介紹了Qorvo的PAC高集成度電機控制芯片的架構、設計資源、Qorvo FOC算法，以及PAC適合的應用場景及他們能提供的解決方案。

圖1：基于PAC芯片的電機控制框圖。（來源：Qorvo）

從傳統的三相無刷電機控制的電路框圖可以看出，通常會用到DC/DC、LDO、MCU、Gate Driver、運放和功率器件等器件?！拔覀兊腜AC方案，就是將這些分立的器件都集成進一顆芯片中。這樣與傳統的采用分立器件和IPM的方案相比，用到的IC數量會更少，從一般的7顆、5顆，直接減少到了1顆?！焙笱笤诜窒碇斜硎?。

他還指出，相比采用分立方案和采用集成功率模塊的方案，集成方案的IC數量更少，整體BOM成本會更低，同時還可滿足驅動器小尺寸和高可靠性的要求。

PAC的架構及差異化的特點

據胡洋洋介紹，PAC架構包括Arm Cortex M0或M4F內核的MCU，外圍集成電源管理模塊，柵極驅動模塊，專有的可配置模擬前端。其特點主要有以下幾個方面：

圖2：PAC芯片內部架構。（來源：Qorvo）

其中MCU，有50MHz的M0和150MHz的M4F兩個選擇，可適用于不同性能要求的場合；
ADC有10位，1MSPS采樣率，或者12位，2.5MSPS采樣率，兩種選擇；
通信接口有UART、SPI、I2C，CAN適用于不同要求的場合；
可編程電源部分，集成了一個“all-in-one”的電源管理器，集成支持高達600V的開關電源控制器，可以配置位Flyback、高壓Buck或SEPIC拓撲，集成多路線性穩壓器用于芯片內部供電?？蓪崿F12微安的超低待機功耗。
此外，它還集成了靈活多級別的電源和溫度監控，包括15V、5V、3.3V、1.8V電壓都可以分別監控。在電源保護方面，它可以接到ADC上，去采樣電源的狀態，以方便做電源保護，一旦出現電源異常，會立即觸發MCU復位或者中斷。在溫度監控方面，芯片內部有溫度監控電路，如果溫度超過一定的閾值，就會發出一個MCU的報警信息，或者會觸發MUC的復位。
電機控制專用的柵極驅動器方面，集成了高達2.5A驅動能力的高低側柵極驅動器，可以靈活配置的傳輸延遲和故障檢測。
專有的可配置模擬前端，集成了高性能的3路差分PGA和4路單端PGA用于電壓電流采樣；用于Sensorless BLDC過零點檢測的專用相位比較器，簡化外部電路和算法設計。
多達10個保護比較器，可實現窗口電流檢測和保護，同時與PWM預驅動器聯動，如果有過流故障可迅速切斷輸出；部分產品支持Cycle-by-cycle的電流限制，可以實現限流或功率限制等功能。

圖3：PAC產品系列。

設計資源

對于電機控制來說，廠家能夠提供的詳盡的便于上手的設計資源，有助于加速項目的開發進程。

“我們除了提供芯片，還有相應的硬件資源、電機控制開發板；參考設計、參考電機控制算法、MCU SDK、IDE和Programmer，以及第三方支持，有的第三方可以提供先進的算法，以及一些Turnkey解決方案等?！焙笱笾赋?。

他還特別提到了Qorvo的無感FOC固件及FOC Auto-Tuning算法。Auto-Tuning是PAC FOC固件版本FOC-4.2以后增加的一個功能，可以實現更加簡化的電機控制參數調試，以加速項目開發進程。

胡洋洋介紹了Auto-Tuning的詳細使用步驟：首先，根據頻率帶寬和阻尼因數得到LBG觀測器的參數Kpe和Kpi;

圖4：Auto-Tuning的調試步驟。

第二步，通過一定的算法可以得到一些電機的參數，比如電阻、電感的Ld，Lq參數；
第三步，得到電機的Kv和J系數；
第四步，可以把電流環和速度環的PI參數整理出來。

胡洋洋強調說，通過這些自動化的調試過程，可以將原來2到8個小時的調試過程，簡化到30分鐘內。

隨后，胡洋洋還介紹了一些實際的應用案例，比如變頻壓縮機、吸塵器/高速風筒、電動工具等應用。

變頻壓縮機應用

變頻壓縮機應用包括家用冰箱壓縮機、車載冰箱壓縮機、5G基站空調壓縮機、駐車空調壓縮機等。這類應用的特點是，啟動難度達。

胡洋洋介紹了Qorvo的應對方案，他表示，“我們采用的方法是，啟動之前用比較大的扭矩，去拉動轉子，然后迅速切閉環；另外，電機控制板是不斷電的，尤其是當壓縮機處于停止狀態時，需要控制板進入低功耗的模式，這要求系統的待機功耗越低越好?！?/p>

圖5：基于PAC的變頻壓縮機驅動方案。

剛好PAC方案可以實現無感FOC的變頻控制，又因為PAC芯片內部集成了電源管理模塊，在系統處于待機狀態時，可以將系統內的多路電源軌切斷掉，保持最小的工作電流，從而可以達到很低的系統待機功耗，“可以滿足國家越來越嚴苛的能效標準?！焙笱蟊硎?。

吸塵器/高速風筒應用案例

對吸塵器/高速風筒應用來說，高速吸塵器的機械轉速高達150KRPM，對應到電頻率會高達2.5KHz，如果控制頻率也按照2.5KHz來算的話，MCU需要有較強的計算能力，為了實現更好性能的FOC控制，ADC的采樣速率和精度，PWM的分辨率也越高越高。

圖6：吸塵器/高速風筒的控制技術點。

除此之外，吸塵器應用還對恒功率控制及保護、快速啟動和低成本方面也有很高的要求。不過胡洋洋表示，Qorvo完整的可產量吸塵器解決方案能夠很好地滿足這些要求。