ST:電機(jī)驅(qū)動器向高集成度、小體積、高性價比演進(jìn)
無人機(jī)、陪伴機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械手、3D打印機(jī)、智能門鎖、電動牙刷……,電機(jī)的應(yīng)用種類和數(shù)量越來越多。同時,電機(jī)驅(qū)動器的集成度會越來越高、體積越來越小、成本越來越低。近日,ST(意法半導(dǎo)體公司)亞太區(qū)智能電源、IPAD、保護(hù)器件部市場和應(yīng)用總監(jiān)David Lucchetti指出。他是在該公司STSPIN電機(jī)控制產(chǎn)品媒體交流會上表達(dá)此觀點(diǎn)的。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201704/346758.htm電機(jī)驅(qū)動器趨勢
怎樣算是一個好的電機(jī)產(chǎn)品?主要滿足客戶的不同需求,有的客戶對電壓看重,例如要低至1.5V的電壓;有的對體積或散熱等看重;有的重視精度,例如256微步步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合主要是位置傳感,可用于醫(yī)療注射泵,對藥劑量注射要非常準(zhǔn)確,但速度不一定快;有的重視性價比。ST的一些產(chǎn)品換成了新型的超微型QFN封裝,使封裝尺寸更小、價格更便宜,也相應(yīng)地提高了性價比。
為了實(shí)現(xiàn)高集成度,ST正在做SiP(系統(tǒng)級封裝)。主要有兩種途徑,如下圖。
具體地,第一種途徑是把驅(qū)動器和功率芯片進(jìn)行封裝集成,即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個MOSFET,堪稱業(yè)界最先進(jìn)的產(chǎn)品,主要因?yàn)樾阅苤笜?biāo)高:85V,5~10A,封裝很薄(因此散熱好)。如下照片。
另一途徑是“驅(qū)動器+STM32 MCU”,例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設(shè)計(jì)速度快,因有STM32F0 MCU;二是集成度高,簡化了設(shè)計(jì),節(jié)省了BOM(物料清單)。照片如下圖。
那么,為何目前只有基于ARM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列),而沒有基于M3、M4的集成驅(qū)動產(chǎn)品?因M3、M4針對更高端的應(yīng)用,但ST目前進(jìn)軍的中低端大批量市場目前還不需要更高端,例如電動工具等,過去是8位MCU,現(xiàn)在升級到基于32位的M0控制,已非常進(jìn)步。在中低端市場,M0性價比比M4高,可滿足從有傳感到無(位置)傳感、再到SoC控制等的需要。當(dāng)然,后續(xù)會有集成M4的驅(qū)動器系列推出。
那么,為何不進(jìn)一步提高集成度:把驅(qū)動器、功率器件和MCU做成三位一體?因?yàn)閺氖袌鼋嵌?,加入MOSFET后功率選擇不夠靈活,應(yīng)用領(lǐng)域會受限。另外,從技術(shù)角度,驅(qū)動器和MCU大部分是邏輯電路,而MOSFET是功率電路,把邏輯和功率部分融合,需要做設(shè)計(jì)的平衡。
在節(jié)省成本方面,盡管無刷直流電機(jī)(BLDC)很有優(yōu)勢,但是還要根據(jù)具體情況。例如消費(fèi)類機(jī)器人/陪伴機(jī)器人對成本敏感,通常采用直流有刷電機(jī)。掃地機(jī)器人也是直流有刷電機(jī)。因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)價格便宜,性價比高,壽命如果不要求一二十年,還是很劃算的。因此ST與客戶一起合作,推出了很多直流有刷產(chǎn)品,例如前幾天的2017年4月,ST發(fā)布了面向便攜式電池供電物聯(lián)網(wǎng)硬件的2.6A微型“有刷直流電機(jī)”驅(qū)動器芯片STSPIN250。
ST的優(yōu)勢
ST做電機(jī)驅(qū)動有30年的歷史,業(yè)界第一個“預(yù)驅(qū)動+MOSFET”、“預(yù)驅(qū)動+MCU單片產(chǎn)品就是ST推出的,而且這些集成的芯片(die)都是ST自家的,不是外購的,因此ST了解其設(shè)計(jì)訣竅(konw-how),可以匹配得很好。
業(yè)界第一個BCD(Bipolar+CMOS+DMOS)是ST做出來的,難點(diǎn)是模擬與數(shù)字、功率電路做在一起。如今ST已是第8代BCD技術(shù)。
目前, STSPIN是全球銷量最大的電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品家族之一,有125種產(chǎn)品型號,從電池驅(qū)動的小功率(5W,例如電動牙刷用),到100W的單片多功能產(chǎn)品,乃至SiP封裝的500W產(chǎn)品(如下圖)。封裝方面,有最小的QFN 3mmx3mm封裝。
STSPIN主要面向工業(yè)市場。和同業(yè)相比,ST的優(yōu)勢:1.產(chǎn)品在市場上的驗(yàn)證度。由于ST主要是做工業(yè)產(chǎn)品,多年下來積累了高可靠性的經(jīng)驗(yàn)。2.功率器件是自己的工藝,比在市場上買來再封裝的SiP產(chǎn)品更靠譜。3.M0 MCU有標(biāo)準(zhǔn)的庫,資源豐富。4.封裝做得好。
從生態(tài)系統(tǒng)角度看,有評估板,像搭積木一樣可以模擬出一個系統(tǒng)。ST還有針對一些應(yīng)用,例如3D打印機(jī)的完整的解決方案(如下照片),可以從官網(wǎng)上免費(fèi)下載,只需簡單優(yōu)化即可。
部分明星產(chǎn)品
單片式多功能IC方面,2016年7月ST針對IoT推出三款產(chǎn)品,STSPIN220步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器針對那些對位置功率控制有要求的場合,定位分辨率達(dá)到每步256微步。STSPIN230堪稱三相無刷電機(jī)驅(qū)動器中業(yè)界最小的,可簡化客戶設(shè)計(jì),例如無人機(jī)云臺(如下照片)。STSPIN240是雙電機(jī)驅(qū)動器,適合小型的閥門控制。
照片:ST云臺萬向節(jié)控制方案,采用STSPIN230驅(qū)動無刷直流電機(jī)(BLDC),特點(diǎn)是功耗低,可用于無人機(jī)航拍。注:通常的視頻監(jiān)控/安防采用步進(jìn)電機(jī)。
2017年4月12日推出面向便攜式電池供電物聯(lián)網(wǎng)硬件的微型“有刷直流電機(jī)”驅(qū)動器芯片STSPIN250,2.6A,面積3mmX3mm,集成一個功率MOSFET全橋和一個關(guān)斷時間固定的PWM電流控制器。
STSPIN高級步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有L6470、L6472與L6474
SiP芯片組方面,2016年11月,推出STSPIN32F0系列智能電機(jī)控制器,針對智能工業(yè)和高端消費(fèi)電子。
如何服務(wù)客戶?
生態(tài)鏈方面,ST面對的客戶主要是方案客戶,比較單一。因?yàn)榉桨缚蛻?含IDH)通常有一定的設(shè)計(jì)能力,ST能配合這些方案客戶/IDH(設(shè)計(jì)公司)。而方案客戶對接電機(jī)廠。
那么,算法方面如何幫到客戶?客戶主要有兩大類,第一類非常懂電機(jī),會自己編程和算法;另一類客戶只知道用電機(jī),但對具體的電機(jī)控制沒有概念,為此,L6470、L6472等把算法集成進(jìn)去了,客戶只要給SPI發(fā)命令即可控制。
談到市場特點(diǎn),消費(fèi)類電子的特點(diǎn)是起得快、走得也快(即生命周期短),例如前兩年很火的平衡車,因此很難預(yù)測其市場。
但馬達(dá)/電機(jī)市場總的特點(diǎn)是越來越大。一些應(yīng)用盡管很難區(qū)分是消費(fèi)類還是工業(yè)類,例如服務(wù)/陪伴機(jī)器人,轉(zhuǎn)軸越來越多,因此馬達(dá)的需求量越來越大。
展示亮點(diǎn)
展示中,筆者觀察有兩個特點(diǎn):1.這么多電機(jī)在一起工作,聲音很輕,可見損耗小,效率高。另一個特點(diǎn)是:ST及代理商的產(chǎn)品同臺展示。ST重在展示大的應(yīng)用方向,代理商側(cè)重某個行業(yè)的具體方案,例如吸塵器。
照片 空調(diào)風(fēng)機(jī)演示版,基于STM32F0和IPM NANO空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)和吊扇的方案
照片:糖果機(jī)模型,基于STM32和X-Nucleo系列開發(fā)板
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