Qorvo助力解决无刷直流电机设计挑战

试着回想一下，有没有哪一刻您没有使用过任何类型的电机?从家中的吊扇到汽车的车窗，再到医院里精密的手术器械——电机已成为现代技术的基石，消耗了世界上一半以上的电力。提高能效可以显著降低全球电力需求，而性能最佳的电机则配备了智能控制。

Qorvo公司应用工程师José Quiñones在其2024年的白皮书《无刷直流电机及其驱动器的设计挑战与注意事项》中，深入探讨了无刷直流(BLDC)电机所面临的挑战及其具备的优势。“电机的使用已有100到150年的历史。”José说道，“最初它们非常简单，只需连接到电源即可工作。然而，这并不是执行电机驱动任务的最有效方式，因此您可以想象在过去的一个世纪里，对这些电机提出了怎样的要求。它们不得不变得更加复杂，控制它们的设备也是如此。”

“在过去的12年里，我们一直致力于将电机控制集成到单个芯片中，以使应用更加紧凑。这样做还可以节省成本。有些应用确实需要较小的空间占用，比如电池驱动的电钻;其所有的可用空间基本上就在您的手掌大小之内。这就带来了许多设计上的挑战，但如果您能克服这些挑战，也将获得诸多益处。”

设计挑战

初期成本

与传统电机相比，BLDC电机及其驱动器的前期成本更高

集成先进的控制电子设备增加了初期投资

复杂的控制系统

需要复杂的控制算法来优化性能

需要强大的处理能力和先进的软件来优化运行

电机选型

根据应用要求(例如连续与间歇扭矩、速度等)选择合适的电机类型

确保与现有系统兼容并满足性能预期

传感器集成

决定传感器的类型和位置，以实现精确的转子位置检测

平衡不同传感技术(如霍尔效应传感器和光学编码器)的成本与性能

热管理

有效消散功率电子设备和电机运行产生的热量

在不同运行条件下保持性能及使用寿命

BLDC电机的优势

高效能

效率可达96%以上，从而实现显著的节能效果

由于耗电量减少，生命周期成本降低

使用寿命长

由于没有电刷磨损，维护需求极低

在各种应用中经久耐用，可靠性高

紧凑且轻便

更高的功率密度允许设计更为紧凑的电机

非常适合对空间和重量有严格要求的应用

性能增强

通过先进的驱动电子设备精确控制速度和扭矩

运行平稳，扭矩纹波更小;尤其针对正弦换向

应用广泛

适用于从小型手持工具到大型工业机械的广泛领域

可与电池供电系统和市电供电系统灵活配合

Qorvo的BLDC电机控制解决方案

José表示，为充分利用这些优势，必须有一种方法来控制电机的不同电气参数。“这一切都需要大量的细致调整，这正是电机控制器发挥作用的领域。在这种情况下，我们提供的电机控制器内置了实现所需智能的微控制器。”

Qorvo带来集成解决方案，以解决BLDC电机控制的挑战。其推出的PAC5xxx系列电源应用控制器(PAC)集成了BLDC电机控制所需的所有必要功能：

高度集成：结合了三相门极驱动器、电源管理、模拟前端、多个通信接口和传感器接口

可配置且可更新：允许针对特定电机进行现场更新和自动调整

全面保护：包括针对过流、欠压、过压和过温的保护

节省空间和成本：最大限度减少对板载空间的需求以及元件数量，缩减物料清单(BOM)和组装成本

此参考设计示例为RD5556;

展示了Qorvo的PAC5556电机控制器和

碳化硅(SiC)FET共源共栅结构功率开关。

PAC系列简化了BLDC电机的实施，确保了各类应用中的高性能、高效率和可靠性。

“为了安全起见，我们开发了一条新的驱动器产品线，具有以下两大特点。我们将这些安全措施从软件层面转移到了硬件层面。借助硬件实施方式，可以快速停止电机，并通过硬件而非固件来禁用功率级。这确保了潜在的固件故障不会干扰和危及安全性。这种冗余性提高了安全性;特别对于某些安全至关重要的电动工具;例如，电锯!”

BLDC电机尽管初始成本高、结构复杂，但却具有无与伦比的效率、使用寿命和性能优势。利用Qorvo PAC系列等集成控制解决方案来克服设计挑战，各行业都可实现显著的节能和运营改进。“我们的工具让设计师的工作变得更加轻松，”José如此说道。