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ST:电机驱动器向高集成度、小体积、高性价比演进

作者:王莹时间:2017-04-18来源:电子产品世界

  无人机、陪伴机器人、工业机械手、3D打印机、智能门锁、电动牙刷……,的应用种类和数量越来越多。同时,驱动器的集成度会越来越高、体积越来越小、成本越来越低。近日,(意法半导体公司)亚太区智能电源、IPAD、保护器件部市场和应用总监David Lucchetti指出。他是在该公司SPIN控制产品媒体交流会上表达此观点的。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201704/346758.htm

  电机驱动器趋势

  怎样算是一个好的电机产品?主要满足客户的不同需求,有的客户对电压看重,例如要低至1.5V的电压;有的对体积或散热等看重;有的重视精度,例如256微步步进电机的应用场合主要是位置传感,可用于医疗注射泵,对药剂量注射要非常准确,但速度不一定快;有的重视性价比。的一些产品换成了新型的超微型QFN封装,使封装尺寸更小、价格更便宜,也相应地提高了性价比。

  为了实现高集成度,ST正在做SiP(系统级封装)。主要有两种途径,如下图。

  具体地,第一种途径是把驱动器和功率芯片进行封装集成,即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8个MOSFET,堪称业界最先进的产品,主要因为性能指标高:85V,5~10A,封装很薄(因此散热好)。如下照片。

  另一途径是“驱动器+STM32 MCU”,例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。优势之一是设计速度快,因有STM32F0 MCU;二是集成度高,简化了设计,节省了BOM(物料清单)。照片如下图。

  那么,为何目前只有基于ARM Cortex-M0的集成产品(STSPIN32F0系列),而没有基于M3、M4的集成驱动产品?因M3、M4针对更高端的应用,但ST目前进军的中低端大批量市场目前还不需要更高端,例如电动工具等,过去是8位MCU,现在升级到基于32位的M0控制,已非常进步。在中低端市场,M0性价比比M4高,可满足从有传感到无(位置)传感、再到SoC控制等的需要。当然,后续会有集成M4的驱动器系列推出。

  那么,为何不进一步提高集成度:把驱动器、功率器件和MCU做成三位一体?因为从市场角度,加入MOSFET后功率选择不够灵活,应用领域会受限。另外,从技术角度,驱动器和MCU大部分是逻辑电路,而MOSFET是功率电路,把逻辑和功率部分融合,需要做设计的平衡。

  在节省成本方面,尽管无刷直流电机(BLDC)很有优势,但是还要根据具体情况。例如消费类机器人/陪伴机器人对成本敏感,通常采用直流有刷电机。扫地机器人也是直流有刷电机。因为有刷直流电机价格便宜,性价比高,寿命如果不要求一二十年,还是很划算的。因此ST与客户一起合作,推出了很多直流有刷产品,例如前几天的2017年4月,ST发布了面向便携式电池供电物联网硬件的2.6A微型“有刷直流电机”驱动器芯片STSPIN250。

  ST的优势

  ST做电机驱动有30年的历史,业界第一个“预驱动+MOSFET”、“预驱动+MCU单片产品就是ST推出的,而且这些集成的芯片(die)都是ST自家的,不是外购的,因此ST了解其设计诀窍(konw-how),可以匹配得很好。

  业界第一个BCD(Bipolar+CMOS+DMOS)是ST做出来的,难点是模拟与数字、功率电路做在一起。如今ST已是第8代BCD技术。

  目前, STSPIN是全球销量最大的电机驱动产品家族之一,有125种产品型号,从电池驱动的小功率(5W,例如电动牙刷用),到100W的单片多功能产品,乃至SiP封装的500W产品(如下图)。封装方面,有最小的QFN 3mmx3mm封装。

  STSPIN主要面向工业市场。和同业相比,ST的优势:1.产品在市场上的验证度。由于ST主要是做工业产品,多年下来积累了高可靠性的经验。2.功率器件是自己的工艺,比在市场上买来再封装的SiP产品更靠谱。3.M0 MCU有标准的库,资源丰富。4.封装做得好。

  从生态系统角度看,有评估板,像搭积木一样可以模拟出一个系统。ST还有针对一些应用,例如3D打印机的完整的解决方案(如下照片),可以从官网上免费下载,只需简单优化即可。

  部分明星产品

  单片式多功能IC方面,2016年7月ST针对IoT推出三款产品,STSPIN220步进电机驱动器针对那些对位置功率控制有要求的场合,定位分辨率达到每步256微步。STSPIN230堪称三相无刷电机驱动器中业界最小的,可简化客户设计,例如无人机云台(如下照片)。STSPIN240是双电机驱动器,适合小型的阀门控制。

  照片:ST云台万向节控制方案,采用STSPIN230驱动无刷直流电机(BLDC),特点是功耗低,可用于无人机航拍。注:通常的视频监控/安防采用步进电机。

  2017年4月12日推出面向便携式电池供电物联网硬件的微型“有刷直流电机”驱动器芯片STSPIN250,2.6A,面积3mmX3mm,集成一个功率MOSFET全桥和一个关断时间固定的PWM电流控制器。

  STSPIN高级步进电机驱动器有L6470、L6472与L6474

  SiP芯片组方面,2016年11月,推出STSPIN32F0系列智能电机控制器,针对智能工业和高端消费电子。

  如何服务客户?

  生态链方面,ST面对的客户主要是方案客户,比较单一。因为方案客户(含IDH)通常有一定的设计能力,ST能配合这些方案客户/IDH(设计公司)。而方案客户对接电机厂。

  那么,算法方面如何帮到客户?客户主要有两大类,第一类非常懂电机,会自己编程和算法;另一类客户只知道用电机,但对具体的电机控制没有概念,为此,L6470、L6472等把算法集成进去了,客户只要给SPI发命令即可控制。

  谈到市场特点,消费类电子的特点是起得快、走得也快(即生命周期短),例如前两年很火的平衡车,因此很难预测其市场。

  但马达/电机市场总的特点是越来越大。一些应用尽管很难区分是消费类还是工业类,例如服务/陪伴机器人,转轴越来越多,因此马达的需求量越来越大。

  展示亮点

  展示中,笔者观察有两个特点:1.这么多电机在一起工作,声音很轻,可见损耗小,效率高。另一个特点是:ST及代理商的产品同台展示。ST重在展示大的应用方向,代理商侧重某个行业的具体方案,例如吸尘器。

照片 空调风机演示版,基于STM32F0和IPM NANO空调室内风机和吊扇的方案

  照片:糖果机模型,基于STM32和X-Nucleo系列开发板

 



关键词: ST 电机

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