Qorvo：集成化PAC芯片，助推BLDC电机应用多元化

近年来，由于无刷直流电机（BLDC）具有效率高、寿命长、噪音低等有点，在各个行业的应用越来越广泛，比如电动工具，家电，通用风机水泵等行业。加上我国提出的25万亿新基建的规划，三项无刷直流电机作为工业领域的动力之源，也势必会有更快速的增长。
 
由于无刷直流电机的驱动电路主要有三大部分：控制器、栅极驱动器（即我们常说的预驱），以及功率MOSFET/IGBT。而在无刷直流电机的控制系统中，常用的有4种解决方案。这主要是前面提到的大主要部分的不同组合，有传统的采用分立器件方案；有将栅极驱动器和功率MOSFET集成为IPM的方案；也有将栅极驱动器集成进控制器（MCU）的方案；还有将控制器、栅极驱动器和功率MOSFET都集成在一起的集成解决方案。
 
在3月底<电子发烧友网>举办的2020年无刷直流电机控制技术研讨会上，来自Qorvo负责电机控制产品的技术销售胡洋洋带来了《PAC三相电机控制芯片及方案介绍》的分享，介绍了Qorvo的PAC高集成度电机控制芯片的架构、设计资源、Qorvo FOC算法，以及PAC适合的应用场景及他们能提供的解决方案。
 

图1：基于PAC芯片的电机控制框图。（来源：Qorvo）

 
从传统的三相无刷电机控制的电路框图可以看出，通常会用到DC/DC、LDO、MCU、Gate Driver、运放和功率器件等器件。“我们的PAC方案，就是将这些分立的器件都集成进一颗芯片中。这样与传统的采用分立器件和IPM的方案相比，用到的IC数量会更少，从一般的7颗、5颗，直接减少到了1颗。”胡洋洋在分享中表示。
 
他还指出，相比采用分立方案和采用集成功率模块的方案，集成方案的IC数量更少，整体BOM成本会更低，同时还可满足驱动器小尺寸和高可靠性的要求。
 

PAC的架构及差异化的特点

据胡洋洋介绍，PAC架构包括Arm Cortex M0或M4F内核的MCU，外围集成电源管理模块，栅极驱动模块，专有的可配置模拟前端。其特点主要有以下几个方面：
 

 
图2：PAC芯片内部架构。（来源：Qorvo）

 
其中MCU，有50MHz的M0和150MHz的M4F两个选择，可适用于不同性能要求的场合；
ADC有10位，1MSPS采样率，或者12位，2.5MSPS采样率，两种选择；
通信接口有UART、SPI、I2C，CAN适用于不同要求的场合；
可编程电源部分，集成了一个“all-in-one”的电源管理器，集成支持高达600V的开关电源控制器，可以配置位Flyback、高压Buck或SEPIC拓扑，集成多路线性稳压器用于芯片内部供电。可实现12微安的超低待机功耗。
此外，它还集成了灵活多级别的电源和温度监控，包括15V、5V、3.3V、1.8V电压都可以分别监控。在电源保护方面，它可以接到ADC上，去采样电源的状态，以方便做电源保护，一旦出现电源异常，会立即触发MCU复位或者中断。在温度监控方面，芯片内部有温度监控电路，如果温度超过一定的阈值，就会发出一个MCU的报警信息，或者会触发MUC的复位。
电机控制专用的栅极驱动器方面，集成了高达2.5A驱动能力的高低侧栅极驱动器，可以灵活配置的传输延迟和故障检测。
专有的可配置模拟前端，集成了高性能的3路差分PGA和4路单端PGA用于电压电流采样；用于Sensorless BLDC过零点检测的专用相位比较器，简化外部电路和算法设计。
多达10个保护比较器，可实现窗口电流检测和保护，同时与PWM预驱动器联动，如果有过流故障可迅速切断输出；部分产品支持Cycle-by-cycle的电流限制，可以实现限流或功率限制等功能。

 
图3：PAC产品系列。

设计资源

 
对于电机控制来说，厂家能够提供的详尽的便于上手的设计资源，有助于加速项目的开发进程。
 
“我们除了提供芯片，还有相应的硬件资源、电机控制开发板；参考设计、参考电机控制算法、MCU SDK、IDE和Programmer，以及第三方支持，有的第三方可以提供先进的算法，以及一些Turnkey解决方案等。”胡洋洋指出。
 
他还特别提到了Qorvo的无感FOC固件及FOC Auto-Tuning算法。Auto-Tuning是PAC FOC固件版本FOC-4.2以后增加的一个功能，可以实现更加简化的电机控制参数调试，以加速项目开发进程。
 
胡洋洋介绍了Auto-Tuning的详细使用步骤：首先，根据频率带宽和阻尼因数得到LBG观测器的参数Kpe和Kpi;

图4：Auto-Tuning的调试步骤。

 
第二步，通过一定的算法可以得到一些电机的参数，比如电阻、电感的Ld，Lq参数；
第三步，得到电机的Kv和J系数；
第四步，可以把电流环和速度环的PI参数整理出来。
 
胡洋洋强调说，通过这些自动化的调试过程，可以将原来2到8个小时的调试过程，简化到30分钟内。
 
随后，胡洋洋还介绍了一些实际的应用案例，比如变频压缩机、吸尘器/高速风筒、电动工具等应用。
 

变频压缩机应用

 
变频压缩机应用包括家用冰箱压缩机、车载冰箱压缩机、5G基站空调压缩机、驻车空调压缩机等。这类应用的特点是，启动难度达。
 
胡洋洋介绍了Qorvo的应对方案，他表示，“我们采用的方法是，启动之前用比较大的扭矩，去拉动转子，然后迅速切闭环；另外，电机控制板是不断电的，尤其是当压缩机处于停止状态时，需要控制板进入低功耗的模式，这要求系统的待机功耗越低越好。”

 
图5：基于PAC的变频压缩机驱动方案。

 
刚好PAC方案可以实现无感FOC的变频控制，又因为PAC芯片内部集成了电源管理模块，在系统处于待机状态时，可以将系统内的多路电源轨切断掉，保持最小的工作电流，从而可以达到很低的系统待机功耗，“可以满足国家越来越严苛的能效标准。”胡洋洋表示。
 

吸尘器/高速风筒应用案例

 
对吸尘器/高速风筒应用来说，高速吸尘器的机械转速高达150KRPM，对应到电频率会高达2.5KHz，如果控制频率也按照2.5KHz来算的话，MCU需要有较强的计算能力，为了实现更好性能的FOC控制，ADC的采样速率和精度，PWM的分辨率也越高越高。

 
图6：吸尘器/高速风筒的控制技术点。

 
除此之外，吸尘器应用还对恒功率控制及保护、快速启动和低成本方面也有很高的要求。不过胡洋洋表示，Qorvo完整的可产量吸尘器解决方案能够很好地满足这些要求。