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Qorvo PAC系列高集成度電機控制芯片及應用

眾所周知,Qorvo是一家專注于創新射頻解決方案的提供商,公司針對移動設備、網絡基礎設施、國防和航天等市場提供一整套的射頻解決方案,全球擁有8000名員工,在北京和山東德州建設有工廠。


作為一家以技術創新為導向的公司,Qorvo的產品線分為基礎設施與國防產品、移動產品兩個部門。主要的增長點放在GaN、IoT和5G等市場。根據市場的發展方向,Qorvo還會通過收購去擴充其增長點,如最近收購的、專注于UWB芯片的Decawave,就是典型的范例。通過這種多元化的發展,Qorvo在過去多年里保持公司的穩定增長。

 

在2019年5月,Qorvo收購了Active-Semi,組建了可編程管理部門,專注于電源管理與電機驅動芯片的開發與設計。日前,Qorvo技術銷售經理胡洋洋參加了一場無刷直流電機控制技術研討會,給大家分享了Qorvo PAC系列高集成度電機控制芯片及應用。

胡洋洋指出,Qorvo PAC芯片是用于三相電機控制的高集成度的產品,它能在降低PCB的尺寸和成本的同時,還能提升系統的可靠性,還能縮短系統的開發時間,被廣泛引用于三相電機控制等領域。


胡洋洋進一步以下圖為例,說明了Qorvo PAC的高集成度。他指出,下圖是傳統的三相直流無刷電機的電路框圖,通常會有AC-DC,DC-DC、MCU、三個gate-driver、運放和功率器件等元器件組成。但Qorvo PAC的器件是將下圖虛線框中的器件,都封到了一個芯片里去。相對于傳統的分立器件或者IPM方案,這樣的方案可以節省更多的器件,整體的BOM成本也會更低,還能滿足驅動器的小尺寸和高可靠性要求。


“我們的PAC產品適用于以電池供電和市電供電的應用場合,功率以中小功率為主,當中包冰箱、洗衣機、空調風機、電吹風,以及鋰電供電設備等應用”,胡洋洋指出。具體如下圖所示。

下面介紹一下PAC架構和差異化的特點。

從胡洋洋的介紹我們得知,這是一個以Cortex-M0(50Mhz)/Cortex-M4F(150Mhz)內核的MCU為中心,外圍集成了電源管理模塊、柵極驅動模塊,還有專有的可配置模擬前端組成,有10bit 1MSPS或者12bit 2.5MSPS的選擇,可編程電源部分則采用了一個高性能的“All in one”的電源管理器,集成支持高達600V的開關電源控制器,可以配置為Flyback、高壓Buck或SEPIC拓撲,集成多路線性穩壓器用于芯片內部供電。在接口方面,則支持UART、SPI、I2C和CAN等。

值得一提的是,PAC集成的馬達控制專用柵極驅動器是和PWM是聯動的,那就意味著系統在使用過程中如果碰到過流故障,兩者的聯動可以幫忙切斷輸出,對功率部分做出快速的保護動作。他進一步強調,這種集成的方案和滿足驅動器小尺寸、低成本以及高性能的要求,還能降低產品生產過程中和使用過程中的返修率。

更多詳細信息參考下圖所示。


來到PAC產品系列介紹方面,胡洋洋指出,如下圖所示,PAC系列能提供對48V、70V、160V和600V電壓支持的產品。正如前文所說,系統還提供了Arm Cortex M0和Cortex M4F 兩種內核的方案選擇。其中600V的產品是針對如冰箱壓縮機驅動、洗衣機或者風機、空氣凈化器等220V交流供電的應用專門來設計的;160V的產品非常適用于園林工具;70V的產品適用于園林工具,電動工具和一些手持的吸塵器等應用;40V產品則適用于24V以內供電的應用,如手持式電鉆等。

“我們是業內高集成度電機控制產品線最全的公司,我們未來也會根據客戶的不同需求持續推出新的產品”,胡洋洋說。

 

“對于電機驅動類開發來說,上游的供應商需要盡量多提供一些便于工程師開發的資源,這樣有助于加速他們產品產品設計,這也是Qorvo專注于解決的”,胡洋洋說。他指出,Qorvo在PAC系列產品方面,除了硬件資料外(包括產品設計),還會提供馬達控制的算法(提供上位機的GUI以供調試使用)。來到MCU SDK方面,在提供Arm標準庫以外,Qorvo還根據其芯片的資源特點,額外提供了一些固件庫和參考設計例程。甚至在面對一些有認證需求的客戶,Qorvo也能提供相關軟件包。當然,IDE和編譯器的支持是必有的,Qorvo還引入了第三方的支持(包括先進的算法和Turnkey的解決方案等),進一步簡化開發者的設計。



“對于一些類似風機和水泵這些負載比較穩定的應用,開發者可以基于我們的無感FOC固件庫進行開發”,胡洋洋說。這個方案的具體特性和優勢如下圖所示。


胡洋洋指出,在一個電機控制軟件開發中,電機參數的匹配和環路的調試會耗費我們很多時間。針對這個問題,Qorvo在PAC FOC固件版本FOC 4.2以后增加了Auto-Tuning功能,可以實現更加簡化的電機控制參數調試,以加速項目開發進程。具體組成如下圖所示:


“通過這些自動化的調試過程,我們可以將原來需要兩到八個小時的工作簡化到30分鐘左右,加速產品開發進程”,胡洋洋說。

隨后,胡洋洋首先介紹了Qorvo PAC在變頻壓縮機驅動中的應用。


他進一步指出,與競爭對手相比,Qorvo 的PAC方案在控制板尺寸方面節省了50%,PCBA成本方面也降低了40%,在待機功耗方面(通過進入冬眠模式),更是只有0.1W。這都是其他對手所無法比擬的。


此外,電動工具/園林工具、吸塵器/高速吹風筒也都是Qorvo PAC的典型應用場景,方案的具體優勢如下圖所示:


為了體現Qorvo PAC方案的優勢,胡洋洋還提供了使用了Qorvo方案的吸塵器整機的測試效果。首先看方案測試波形,如下圖所示,Qorvo的方案讓設備在 500ms內實現從PAC上電到全功率運行。實測的最高轉速也達到要求的12萬轉每分鐘。


在恒功率性能測試方面,如下圖所示,在電池電壓下降的情況下,驅動器功率穩定在176W,波動在1W以內。在不同口徑下(負載變化),驅動器功率控制依然穩定,這同樣能夠滿足客戶的要求。





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