Qorvo打造耐用的BLDC电机控制应用

以下文章来源于Qorvo Power，作者Qorvo

下一代电池驱动工具需要配备能够利用高电压驱动户外作业的电机和控制器，同时集成安全功能，以保护用户和设备。Qorvo凭借其在无刷直流（BLDC）电机高压控制器方面的专业技术，在这一领域大显身手。Qorvo高度集成的智能电源应用控制器（PAC）片上系统（SoC）产品组合，可以将BLDC或永磁同步电机（PMSM）可编程电机控制器和驱动器集成到单个集成电路（IC）中，以控制现今工作电压范围从44V至600V的动力工具。

BLDC电机在需要高效率、高可靠性和精确控制的应用中得到了广泛应用。当这些应用涉及关键安全功能时，通常需要满足如B类认证等严格的安全标准；以下是BLDC电机控制应用需要B类安全认证的几个关键领域：

电动工具：

包括电钻、电锯，乃至检测与测绘无人机等；以及为草坪和花园维护带来所需灵活性的最新型电动割草机、修剪机和吹叶机。

汽车：

电动助力转向（EPS）：确保转向系统安全运行，降低事故风险。

电动汽车（EV）：用于车辆推进的电机控制系统，以及需要满足高安全标准，从而确保乘客安全和车辆可靠性的各类子系统。

电动自行车和自主驾驶汽车：（在这些车辆中，）精确控制和功率效率至关重要。

工业自动化：

机器人和自动化设备：确保制造过程中的安全可靠运行，并跟踪仓库库存，从而保护工人及设备。

输送系统：需要安全且一致的运行，以确保物料处理过程中不发生事故。

家用电器：

洗衣机：确保电机控制安全，防止过热或机械故障。

冰箱：可靠的电机运行对于保持恒定温度并避免（食物）变质至关重要。

家庭自动化和智能设备：

暖通空调（HVAC）系统：安全的电机控制对于可靠、高效的供暖、通风和空调十分必要。

智能锁和安全系统：确保可靠运行，以维护安全并防止未授权访问。

航空航天和国防：

无人机：其电机控制系统需要高可靠性和高精确度，以实现导航（功能）与稳定性。

飞机执行器：确保控制各种飞机部件的安全性及可靠性。

B类安全认证的关键要素

为获得B类安全认证，BLDC电机控制系统必须解决几个关键方面（的问题）：

故障检测与管理：实施强大的故障检测机制，以处理过流、过压和热过载等问题。

冗余设计：采用冗余系统，确保在发生故障时仍能持续运行。

隔离措施：确保适当的电气隔离，以防止安全隐患。

安全监控：持续监控电机的运行参数，以监测和消除潜在故障。

合规性测试：通过严格测试确保符合安全标准；如家用电器的IEC 60730标准或车载应用的ISO 26262标准。

Qorvo不断推进智能电机控制器的技术革新；其PAC52xxx/55xxx系列便是这一领域的卓越典范。这些平台为运行于44V至72V的系统，配备集成式高阶防护功能，简化了稳固可靠的系统设计流程。该系列产品延续了公司一贯的高度集成化设计思路，将ARM Cortex MCU、模拟前端、电源管理和驱动器集成到单个芯片；同时更增加了针对安全关键型应用的特性，超越了原始PAC5xxx SoC的功能集。

原始的PAC5xxx系列智能控制器能够处理大多数电动工具中的BLDC电机，内置50MHz Arm Cortex-M0 32位微控制器、带双自动采样定序器的高速10位1微秒（μs）模数转换器（ADC）、灵活的时钟源、定时器、PWM引擎和多个串行接口。该SoC还配备了可编程多模式电源管理器、可配置模拟前端和专用电源驱动器。

多模式电源管理器（MMPM）如同电源管理的“瑞士军刀”，能够高效地处理不同的电压，并包含一个可在降压或SEPIC模式下工作的多模式开关电源控制器，以及多达四个线性电源。

专用电源驱动器（ASPD）可利用高压电源驱动器执行特定的控制应用，如H桥、三相、智能功率模块（IPM）和通用驱动。

可配置模拟前端（CAFE）作为SoC的大脑，具有可编程增益放大器、比较器、数模转换器（DAC）等。此类功能允许灵活的信号采样、反馈放大和传感器监控。与微控制器一起，这些解决方案为高达600V的直流电源提供集成电源管理、驱动、反馈和控制功能等众多紧凑应用。

集成安全功能：安全性是电机控制器设计的关键方面，特别是在运行条件苛刻的电动工具中。Qorvo的控制器通过固件集成了安全性，为所有应用提供温度感测及保护功能。

温度感测与保护：SoC内置温度传感器，可经由CAFE的ADC通道访问，并通过固件设置和测量参数。

温度保护分为两个级别，包括过温警告和过温故障。当芯片温度达到140°C时触发温度警告；而当温度升至170°C时则会产生过温故障。固件中采用字母和数字系统来标识问题发生的位置、遇到的温度和电压读数，以明确警告和故障的性质。问题排除后，这些警告和故障可以被重置。

VDS感测：新款控制器配备了VDS感测功能，用于实现快速过流和短路保护；该功能包含一个独立的比较器和电平移位器，适用于高压侧MOSFET。此外，它还为每个MOSFET提供了可编程的DAC电平基准和可编程消隐间隔；由于SOA内的电流控制更为严格，这使得设计师能够选用更小的裸片和成本更低的电子元件；从而提高了可靠性，并在出现意外电流瞬变时保护MOSFET。

CBC保护：新款控制器系列还配备了逐周期（CBC）保护功能，确保能迅速响应操作周期内出现的任何不利条件或故障；助力设计人员保障电机和控制器的安全性及完整性，并显著降低功率损耗。同时，它还有助于缩减物料清单（BOM）成本、减少处理器开销，并帮助最大限度地简化整体设计复杂性。

驱动器禁用与制动功能：Qorvo的电机控制产品通过栅极驱动器控制选项带来额外的安全功能，让设计人员能够在出现问题时停用或关闭为电机供电的驱动器电路。控制器配有一个AIO2引脚用于禁用栅极驱动器（nDVRDIS），以及一个专用的AIO4引脚以便在出现问题时强制栅极驱动器对电机进行制动（nBRAKE）。此外，控制器还配备了额外的ADC输入，包括具有可编程增益的单端专用缓冲馈电AIO3和AIO5引脚，进一步推动BOM成本的降低。

Qorvo电机控制器产品家族不仅适用于电动工具，还可广泛应用于其它领域；如最新款电动自行车（其对电源效率要求极高）、仓库中用于跟踪库存的自主机器人，以及制造业中作为生产支柱的自动化系统。此外，包括家用电器、机器人技术、暖通空调（HVAC）系统、医疗设备、自主驾驶汽车和数控（CNC）加工等在内的众多领域，也将从Qorvo下一代PAC系列智能电机控制器中受益。展望未来，其前景一片光明。