安森美玩起BLDC的技术“拼图”

电机作为电机控制与驱动系统中重要的执行器，可以说是无处不在，不夸张地说，电机驱动着我们这个世界的“运转”。而在众多类型的电机中，要说近年来表现最为抢眼的，非BLDC（无刷直流）电机莫属。

所谓无刷直流（BLDC），故名思议，这是与传统的、历史更悠久的有刷直流（DC）电机相比较而言的。

具体来讲，两者主要的区别在于：DC电机是将永磁体作为定子，线圈绕在转上，通过电刷与换向器的机械接触，将外部的能量传输到线圈上，通过改变电刷的位置使得线圈上的电流方向发生变化，线圈一侧与定子永磁体磁极排斥，另一侧与磁极相吸，因而产生连续不断的旋转；而BLDC中则是将线圈绕在定子上，将永磁体作为转子，通过改变线圈所产生的磁场方向来驱动转子旋转，通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转，因而不需要电刷、换向器这样的机械部件。

BLDC的优势

BLDC电机独特的结构，决定了其与DC相比，具有很多优势：

1

更大的扭矩

DC电机旋转过程中最大扭矩只能保持一个瞬间，想要获得更大的扭矩，就需要使用更大的磁铁。而BLDC的工作原理决定了，在质量相同、输入功率相同的情况下，它可以输出比DC更大的扭矩。

2

更高的效率

由于BLDC具有良好的控制性，可以精准地达到所需的扭矩、旋转数等目标参数，因此对于电力的利用效率显然会更高。

3

更长的寿命

DC电机在工作时，电刷和换向器接触会产生磨损，因而使用过程中可靠性会下降，使用寿命也受限，而且电刷和换向器的摩擦会有火花，限制了其在一些对安全可靠性要求较高的场景中的应用。而BLDC则没有这些问题，因此具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

4

更低的噪声

DC电机中电刷和换向器的机械作用，会产生音频噪声，在EMI电磁干扰方面的挑战也会更大；相较而言，BLDC的开发中就不需要为这些“噪声”问题太过劳神。

5

更好的热性能

DC电机在应用中，往往会需要辅助的散热装置，这会使得系统的体积增大；而BLDC电机由于效率高，热性能也更好，在体积上也可以控制得更小。

总之，BLDC电机控制性能好、效率高、可靠耐用、寿命长、外形更紧凑……集诸多优点于一身，它受到市场的青睐一点也不奇怪。

快速发展的BLDC市场

如今，在风机、泵、电动自行车、电动工具、压缩机、农机具、汽车电子等很多领域，BLDC电机都成了用户和开发者心目中一个优选的方案。

比如在传统家电领域，以空调电机为例，中国2018年空调用电机的产量为3.6亿台，其中BLDC电机的产量约为9600万台，但其一直保持着稳定的增长态势，今年突破1亿台没有什么悬念。而且，相关能源法规的制定和不断加码，也在进一步加速家电行业BLDC升级换代的进程，未来的空间巨大。

在一些新兴的应用中，BLDC也已经占据了主流，成为必选项。比如在新能源汽车中，每辆车上一般会搭载130到200台电机，其中BLDC占据了相当大的比率。再比如BLDC主导的电动自行车行业，根据欧洲自行车行业协会数据统计，2006年到2018年，欧洲市场电动自行车销量从9.8万辆增长到了250万辆，年均复合增长率达到31%；也有研究表明，从2020年到2027年电动自行车市场的年均复合增长率将保持在7-11%。

降低BLDC的技术门槛

上面说了BLDC电机的万般好处，但其并非没有短板，其中最“短”的那一块，就是BLDC控制驱动系统设计复杂，成本较高，这也是影响BLDC渗透和扩张速度主要障碍。

因此如何从技术的角度出发，不断拉低这道BLDC电机的技术门槛，加速其应用开发的速度，也就成了BLDC技术发展中要考虑的最核心的着力点。

一个典型的BLDC电机解决方案通常包括四个部分：

电机控制器：通常是由MCU、DSP等主控芯片负责，进行电机控制与算法处理，并根据来自BLDC电机的反馈信号做出响应，为栅极驱动提供6路PWM信号。

栅极驱动：也被称为“预驱”，会根据控制器的输出信号，向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。

功率级：包含MOSFET或IGBT等功率器件，通过开关动作控制输出到BLDC负载上的功率，驱动电机运动。

反馈回路：将BLDC电机的转速、位置、电流、电压，以及故障等信号，反馈给控制器，形成控制的闭环。

目前我们可以看到，BLDC技术方案的演进有两个明显的趋势：一是探索更高集成度，二是提供一站式的整体解决方案。

所谓提升集成度，就是将控制器、栅极驱动、功率级三个部分进行集成，形成不同的解决方案。按照“集成”策略的不同，BLDC技术方案可以分为四类：三个部分彼此独立的离散驱动解决方案；将栅极驱动和功率MOSFET集成为IPM，“IPM+控制器”的解决方案；将栅极驱动与控制器集成，再加功率器件的解决方案；将所有三部分都集成在一起的SoC解决方案。

这四类方案各有长短，总的来说，随着集成度的提升，方案在成本、体积等方面的优势就更明显，但是在功率、耐压、灵活性等方面则需要做性能折中，因此根据特定的BLDC应用选择最合适的方案，就显得尤为重要。

我们再来看看“一站式”的整体方案。实际上，这就是要有能力为BLDC客户提供全系列的关键元器件，并且每类元器件中，还要有丰富的产品组合，以适应多样性的应用场景要求。

在这方面，安森美（onsemi）就是一个很好的范例。从图2中可以看到，除了主控MCU和电池包，安森美的产品可以全面覆盖BLDC中的各个功能模块，类别包括栅极驱动器、MOSFET、IPM电源模块、LDO、电流检测放大器、电子保险丝 （eFuse）等全系产品。这就像是提供了种类丰富的技术资源“拼图”模块，开发者只要根据自己的需要合理地“拼接”这些技术资源，就能够设计出一个理想的BLDC电机“作品”。

透视BLDC“拼图”模块

如果我们仔细探究安森美为BLDC电机准备的这些技术“拼图”模块，会有更多惊喜的发现。下面我们就通过几个经典的产品来做个透视。

电隔离式大电流栅极驱动器

隔离式栅极驱动器是BLDC技术方案中非常重要的一环，它为功率器件提供所需的高压、高速的驱动能力，同时具有符合安规的隔离性能。

安森美提供的电隔离大电流栅极驱动器具有高瞬态和电磁抗扰度的特性。如NCx5700x是大电流单通道IGBT驱动器，支持》5kVRMS（符合UL1577标准）电隔离和》1200VIORM的工作电压，同时具有互补输入、开漏故障、就绪输出、有源米勒钳位、精确UVLO、DESAT保护、DESAT软关断，以及便于进行系统设计的独立高侧和低侧（OUTH和OUTL）驱动器输出等功能，有利于提高大功率应用的系统效率和可靠性。在应用开发中，安森美的电隔离式大电流栅极驱动器的半桥节点无需保护电路，由此可以带来更大的PCB布局灵活性。

NCx5700x可在输入侧提供5V和3.3V信号，在驱动器侧提供较宽的偏置电压范围，包括负电压能力，可以满足不同应用的要求。NCx5700x系列采用宽体SOIC-16封装，输入和输出之间的爬电距离保证为8mm，以满足增强的安全绝缘要求。

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Trench6 N沟道MV MOSFET

在BLDC功率级的设计中，高效率的功率器件必不可少。安森美为此提供了非常丰富的MOSFET产品，其中Trench6 N沟道MV MOSFET是最值得关注的“代表作”。

该MOSFET系列由于采用先进的屏蔽栅极（Shield Gate）功率沟槽工艺，大幅降低了导通电阻，优化了开关损耗，提高了功率密度。这些MOSFET包括30V、40V和60V的产品，具有各种小尺寸封装选项，支持更大的设计灵活性。

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电流检测放大器

在BLDC的反馈回路中，电流检测放大器用来监控电流消耗，为控制器提供有助于系统安全和诊断功能的关键信息。

安森美的电流检测放大器集成外部电阻器，可以提供精度更高、尺寸更小的解决方案。这些电流检测放大器可最大限度地减小BOM空间，优化性价比，提高系统灵活性。

它们支持-0.3V至+26.0V很宽的共模输入范围，电源电压范围2.2V至26.0V，具有低失调电压、低偏置漂移，在整个温度范围内都具有高精度，可实现更高功效，还提供符合AEC-Q101标准并具有PPAP功能的选项，满足车载BLDC方案设计要求。

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电子保险丝

在BLDC电机这样的功率应用中，电路保护功能自然少不了。为此，安森美的电子保险丝在单一器件内提供了一整套集成解决方案，支持过流、过压、过热、反极性和浪涌电流保护，并能够通过GPIO报告故障和禁用输出。

安森美的电子保险丝同样有丰富的产品组合可选，电压范围为3V至12V，支持1A至12A连续电流，有助于在各类BLDC系统紧凑的电路板布局中，提供全面的保护功能。

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宽Vin/Vout LDO稳压器

在BLDC方案内部的电源管理设计中，LDO稳压器是常用的器件。在这方面，安森美的宽Vin/Vout LDO稳压器，是一款值得推荐的产品，其输入电压范围2.7V至60.0V，输出电压范围1.2V至33.0V，有固定和可调选项。

该LDO系列产品具有超低静态电流（典型值1μA）、快速瞬态响应以及大输入和输出电压范围，还可选配高电源抑制比 （PSRR） 和低噪声等其他特性，有多种封装类型可选（从最小行业标准尺寸到更大功率封装），可以满足BLDC控制中多样性的设计需求。

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BLDC开发的“新起点”

看了上面展示的这些安森美的设计资源“拼图”模块，你是不是会觉得BLDC方案开发一定能手到擒来？且慢，实际的设计开发过程没有那么简单。

据分析，BLDC方案的开发过程，从头到尾要有数百个决定要做；而令开发者更挠头的是，需要面对不同的最终客户，每个客户都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、维护、使用寿命等性能考量，这就让实现BLDC最终方案的工作量成倍增加。

如果针对每个方案的设计都是从零开始，这时即使你知道摆在你面前的那些技术“拼图”模块（也就是可供使用的元器件）都很棒，但是想要将它们最终完美的拼接起来，还是会颇费周折，其复杂性甚至会让人望而却步。

为了应对这个难题，安森美推出了一个称为“新的一阶近似值起点”（new 1st order approximation starting point）的解决方案，其核心思路就是建立一个完整的栅极驱动与功率开关器件的（MOSFET / IGBT）匹配表，用5个表格覆盖从12V到650V、功率分布高达6kW的各种BLDC电机的应用需求，这样一来开发者根据最终的设计需求快速查询表格，就能够按图索骥锁定最合适的栅极驱动与功率开关器件组合。

这些表格的清单包括：

BLDC表#1：12V和24V（N-FET）高达1.1kW

BLDC表#2：48V和60V（N-FET）高达1.5kW

BLDC表#3：48V和60V（N-FET）高达3kW

BLDC表#4：300V和400V（IGBT）高达6kW

BLDC表#5：300V、400V和650V （IPM） 高达6 kW

图8：BLDC表#1 - 12V和24V（N-FET）高达1.1kW（资料来源：安森美）

安森美还提供了一个很好的在线工具，用于构建带有 IPM（集成功率模块）的BLDC。用户输入15种工作条件，该工具会生成多个详细的分析表以及12个捕获关键热和功率性能的图表。

所有这些举措，都能够将BLDC系统的设计从旧的起点（Old Starting Point）向前大大跃升一步，达到一个“新起点”，从这里起步，BLDC的整个开发进程也会因此而大为提速。

总而言之，未来10年BLDC电机的应用将迎来一个稳健而高速的发展期，谁能快速整合起优势的技术资源，开发出最终应用所需的解决方案，谁就能够把握住这一市场机遇。而安森美已将拼接BLDC方案所需的基础产品模块和高效的设计工具摆在了你面前，玩起BLDC的技术“拼图”，应该会更加得心应手，事半功倍。

贸泽电子和安森美合作，也将与BLDC相关的一些高质量的技术资料“拼接”在一起，整合在一个在线专题中，想成为BLDC技术“拼图”高手，你想要的攻略尽在其中，快来看看吧！

责任编辑：haq