電機(jī)控制應(yīng)用不斷迭代，ST平臺(tái)化方案滿足碎片化需求

隨著空調(diào)、冰箱等白色家電更嚴(yán)苛的節(jié)能、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，需要更加綠色或小體積的解決方案。在機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具等工業(yè)領(lǐng)域，也需要更加高效、節(jié)能的電機(jī)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更提出了具有預(yù)測(cè)性維護(hù)、故障診斷等功能的電機(jī)解決方案。 

近日， ST亞太區(qū)功率分立器件和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)及應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI向電子產(chǎn)品世界記者介紹了這方面的新趨勢(shì)，及ST向中國(guó)主推的新產(chǎn)品。

ST亞太區(qū)功率分立器件和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)及應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI

1 空調(diào)解決方案

我國(guó)從7月1日起強(qiáng)制實(shí)施極其嚴(yán)格的新空調(diào)系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)（A+）。 這意味著在售產(chǎn)品都必須使用新標(biāo)準(zhǔn)解決方案，所有舊空調(diào)系統(tǒng)需要在一定時(shí)間內(nèi)更換相關(guān)部件，如逆變器或變頻端電路。

ST的解決方案可以完全滿足上述需求，其優(yōu)勢(shì)是：傳統(tǒng)半導(dǎo)體解決方案換成新的高能效解決方案，成本在幾美元到10美元，這意味著每個(gè)方案的總體成本大約在提升10~12美元。另外，ST有一個(gè)覆蓋從15kW到7kW的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)（如下圖），該平臺(tái)可通過(guò)用戶界面提供固件更新和cube SDK開(kāi)發(fā)工具，支持壓縮機(jī)電機(jī)定制；提供所有STM32、電源模塊、分立和模擬器件、電路板。

具體地，ST可以有7種架構(gòu)支持同一種解決方案。例如針對(duì)1.5 kW和2 kW的空調(diào)方案，ST提供4種不同的架構(gòu)，不同的客戶可以選擇適合自己的方案。

①完全分立的解決方案，ST可以讓客戶以他喜歡的方式設(shè)計(jì)板子布局，這是較好又方便的方法。

②采用ACEPACK模塊，可用3個(gè)模塊處理高功率，這樣可以通過(guò)緊湊型解決方案提供更高的功率。

③如果空間有限，還可以使用雙模塊MOSFET解決方案，例如，STM32F3或G4搭配SLLIMM IPM系列智能電源模塊（如下圖）。

④ST還設(shè)計(jì)了另一種架構(gòu)，在STM32內(nèi)核外圍集成驅(qū)動(dòng)電路以及該分立解決方案，這是針對(duì)空間稍小應(yīng)用優(yōu)化的解決方案。

值得一提的是，ST還有1.5kW和2kW雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案（如下圖），1個(gè)MCU能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)，非常經(jīng)濟(jì)劃算。

2 冰箱解決方案

如今冰箱能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高到A類(lèi)以上，對(duì)振動(dòng)和能耗提出了更高的要求；另外空間使用率在冰箱中也很重要，合理的空間設(shè)計(jì)是盡可能地將所有冰箱空間分配給食物存放，而不是電子元器件。

ST的IGBT解決方案和STM32生態(tài)系統(tǒng)非常適合設(shè)計(jì)新一代的冰箱。

3高度碎片化的電機(jī)市場(chǎng)需要豐富、靈活的解決方案

電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)非常龐大且碎片化。

在家電領(lǐng)域，除了空調(diào)和冰箱，洗衣機(jī)、空氣干燥器和洗碗機(jī)等解決方案。除了家電外，餐廳、工廠、食品生產(chǎn)商和食品加工廠也有電器設(shè)備。以空調(diào)類(lèi)為例，HAVC（暖通空調(diào)）相關(guān)行業(yè)有暖風(fēng)、通風(fēng)和空調(diào)，還有地板溫度、空氣質(zhì)量、濕度等。每種應(yīng)用有不同的需求。凡是涉及電機(jī)控制，ST就有相應(yīng)的解決方案，即使沒(méi)有演示板，也有開(kāi)發(fā)工具包。

     ST還進(jìn)軍電動(dòng)自行車(chē)、專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)、吸塵器、園藝工具、專(zhuān)業(yè)電動(dòng)工具和工廠自動(dòng)化（機(jī)器人）電機(jī)控制領(lǐng)域。例如，機(jī)器人需要高水平的運(yùn)算能力，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)高水平的數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)獲得極高的控制精度。因此，計(jì)算能力是自動(dòng)化的基本要求。醫(yī)療設(shè)備也有控制精度要求。3D電機(jī)控制是如何控制3軸運(yùn)動(dòng)，如何滿足3D打印機(jī)對(duì)精度和速度的嚴(yán)格要求是一大挑戰(zhàn)。每種應(yīng)用都有不同的需求。例如，工廠生產(chǎn)線對(duì)功率等級(jí)要求很高，而火車(chē)等軌道交通工具對(duì)模塊的要求更高，這使電機(jī)控制設(shè)計(jì)變得非常重要和復(fù)雜。

ST在此的優(yōu)勢(shì)是有獨(dú)特的技術(shù)，可提供系統(tǒng)封裝（SiP），且ST有各種封裝可供選擇，可以滿足這個(gè)高度碎片化市場(chǎng)的需求。此外，人們也需要的更大的靈活性來(lái)加快客戶產(chǎn)品的上市時(shí)間。ST的一個(gè)特色是，即使只有2個(gè)中國(guó)小客戶要求ST提供解決方案，ST也可以與全球合作伙伴合力開(kāi)發(fā)這個(gè)解決方案，優(yōu)化產(chǎn)品成本。

4 工業(yè)預(yù)測(cè)性維護(hù)

電機(jī)的故障診斷是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重點(diǎn)，ST已經(jīng)解決和正在解決的問(wèn)題有2個(gè)方面。

①預(yù)測(cè)性維護(hù)，即預(yù)測(cè)故障，ST已有了解決方案。例如，電機(jī)可能在2周內(nèi)停機(jī)，因此，你將有2周的時(shí)間安排生產(chǎn)計(jì)劃，停止生產(chǎn)線運(yùn)行，維修電機(jī)，成本要比突然停機(jī)低得多。如果訪問(wèn)ST的網(wǎng)站，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有個(gè)BFA 001b1b評(píng)估板，這個(gè)解決方案目前已經(jīng)商用。由于有IO-link連接技術(shù)，板子能夠部署預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案。

②故障檢測(cè)功能，指在發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)技術(shù)可以確保生產(chǎn)連續(xù)性。ST正在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)中。

5 ST的電機(jī)方案強(qiáng)在哪兒

據(jù)IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算，ST在家電電機(jī)IGBT與IPM（智能功率模塊）的份額大于10%；在對(duì)制造和過(guò)程自動(dòng)化、電力與能源、樓宇和住宅控制、以及其他行業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，由ST智能電力解決方案驅(qū)動(dòng)的低壓電機(jī)超過(guò)10億臺(tái)，占11%的市場(chǎng)份額。

ST在亞洲的可服務(wù)市場(chǎng)（SAM）2019年約為20億美元，從2019—2023年的年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為11.6%（如下圖）。

ST為何有強(qiáng)大的市場(chǎng)地位，主要源于以下特色。

1）打造了電機(jī)控制的生態(tài)系統(tǒng)

與一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片僅提供單點(diǎn)芯片不同，ST有全面的生態(tài)系統(tǒng)，有廣泛的產(chǎn)品組合（如下圖），其中產(chǎn)品超過(guò)130種，銷(xiāo)售超過(guò)15億片。ST在IGBT和高壓 MOSFET的市場(chǎng)排名靠前，在低壓功率器件方面也是如此。此外，ST還有通用MCU、安全MCU和EEPROM等產(chǎn)品。

ST電機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩種出色的技術(shù)： STDRIVE柵極驅(qū)動(dòng)器和STSPIN電機(jī)控制器。

2）注重IGBT的投資

IGBT 溝柵場(chǎng)截止技術(shù)是ST的最大的投資項(xiàng)目之一?！叭绻闳ナ袌?chǎng)調(diào)查，有1/5的空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)客戶稱(chēng)在用ST的IGBT?！?MUGGERI先生稱(chēng)。ST在IGBT技術(shù)等方面的投資在支持ST的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，ST已經(jīng)形成了差異化的產(chǎn)品組合，覆蓋從600 V、1200 V到1700 V的電壓區(qū)間。此外，ST的HB2系列IGBT技術(shù)讓工業(yè)空調(diào)和工業(yè)冰箱能夠處理更高的電流。

ST的封裝是電源模塊封裝的一張王牌。對(duì)于IPM（智能電源模塊）——當(dāng)想要縮小方案尺寸并限制空間體積時(shí)，可以使用多種SLLIMM封裝，包括SLLIMM nano SMD系列、SLLIMM nano、SLLIMM nano第二代、SLLIMM第二代的產(chǎn)品組合（如下圖）。

對(duì)于高于5kW的電動(dòng)機(jī)有ACEPACK，也是有多種封裝（如下圖）。

3）靈活的電機(jī)控制器

明星產(chǎn)品是STSPIN32F0。該款產(chǎn)品有2個(gè)版本。①最高45V的低壓驅(qū)動(dòng)器，用于電池供電的解決方案，也可以用于設(shè)計(jì)某些電動(dòng)工具或小型家電。②最高電壓600V的高壓產(chǎn)品，最高電壓250V的中壓產(chǎn)品。

這些板子覆蓋多個(gè)電壓區(qū)間。寬輸入電壓意味著控制內(nèi)部MCU有多種可行方法。單電阻和三電阻電流檢測(cè)意味著可以在不同的拓?fù)鋬?nèi)驅(qū)動(dòng)外部單相或三相電機(jī)。這個(gè)方案和基于STM32的方案有些不同，如果使用STM32，則需要標(biāo)準(zhǔn)組件和內(nèi)部尺寸大于38 mm38 mm的電路板，而這個(gè)方案可能只需要17 mm17 mm的面積，面積減少約80％。因此，對(duì)于關(guān)注空間問(wèn)題的應(yīng)用，例如機(jī)器人和無(wú)人機(jī)，該方案是非常理想的。如果需要減小冰箱等大家電的尺寸，這個(gè)方案也可以提供非常靈活和優(yōu)化的性能。

4）豐富的傳感器

通過(guò)提高運(yùn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器和語(yǔ)音控制/麥克風(fēng)的感測(cè)水平和智能水平，ST一直在不斷地推動(dòng)家電和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。