看Qorvo芯片如何應(yīng)用于無(wú)線吸塵器

最近幾年，在Dyson的帶動(dòng)下，便攜式手持吸塵器市場(chǎng)有了迅猛的發(fā)展。但從市場(chǎng)上的反應(yīng)看來(lái)，這類(lèi)吸塵器的價(jià)格千差萬(wàn)別，而在使用體驗(yàn)上更是一言難盡。為了讓大家對(duì)眼花繚亂的手持吸塵器有更深入的了解。Qorvo日前拆解了一款由其公司芯片提供支持的某品牌手持吸塵器，希望能大家提供更多的參考。

大多數(shù)讀者都知道，Qorvo是射頻領(lǐng)域的專(zhuān)家，但其實(shí)在去年收購(gòu)了專(zhuān)注于電源管理與智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片公司Active-Semi之后，Qorvo就在相關(guān)領(lǐng)域加強(qiáng)了布局。本文中提到的這顆芯片就是來(lái)自Active-Semi的產(chǎn)品。

在拆解之前，我們先來(lái)說(shuō)一下手持吸塵器的工作原理。

相關(guān)資料顯示，手持式吸塵器能除塵，主要在于它的“頭部”裝有一個(gè)電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)。抽風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上有風(fēng)葉輪，通電后，抽風(fēng)時(shí)電機(jī)以每分高達(dá)10萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速發(fā)生極強(qiáng)的吸力和壓力，在吸力和壓力的效果下，空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵有空氣不斷地彌補(bǔ)風(fēng)機(jī)中的空氣，致使手持式吸塵器內(nèi)部發(fā)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓刷、長(zhǎng)接收、彎管、軟管、軟管接頭進(jìn)入濾塵袋，塵土等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過(guò)濾片凈化后，由機(jī)體尾部排出。

由此可以看到，為了實(shí)現(xiàn)更好的吸塵目的，我們就需要一個(gè)關(guān)鍵的部件，那就是無(wú)刷電機(jī)，這是吸塵器吸力的重要倚仗。而在實(shí)際使用過(guò)程中，為了提升手持吸塵器的體驗(yàn)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，我們要求無(wú)刷電機(jī)能夠做到四點(diǎn)，分別是：超高轉(zhuǎn)速、恒功率控制及保護(hù)、快速啟動(dòng)和低成本，因?yàn)橹挥羞@樣才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中取得領(lǐng)先。

而要做到以上幾點(diǎn)，一個(gè)好的無(wú)刷電機(jī)控制芯片是關(guān)鍵。

如上圖所示，這個(gè)產(chǎn)品采用了Qorvo的CST32251芯片，這是一顆高度集成的電機(jī)控制SoC，將電源管理、50MHz Cortex-M0的MCU、柵極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)放比較器等集成到同一個(gè)芯片里面。用這顆芯片及外圍MOSFET就可以設(shè)計(jì)出非常簡(jiǎn)潔緊湊的電機(jī)控制板。手持吸塵器的電機(jī)控制板和電機(jī)安裝在一起，要求電機(jī)控制板尺寸盡量小。這種高度集成的方案能很好的解決這個(gè)難題。

為了讓大家看到Qorvo這顆芯片在無(wú)刷電機(jī)控制中的真正表現(xiàn)，本文針對(duì)上述四點(diǎn)，做了一些實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)披露，給大家?guī)?lái)更直觀的體驗(yàn)。

1. 超高轉(zhuǎn)速

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202007/416193.htm

無(wú)刷電機(jī)控制對(duì) MCU 的運(yùn)算能力、ADC 和 PWM 的性能都有較高要求。尤其是高速吸塵器的機(jī)械轉(zhuǎn)速高達(dá) 150KRPM, 對(duì)應(yīng)到電頻率則會(huì)高達(dá) 2.5KHz。那就意味著如果控制頻率也按 25KHz 來(lái)算的話，那么 MCU 就需要有較強(qiáng)的計(jì)算能力。為了實(shí)現(xiàn)更好性能的 FOC 控制，我們還要求 ADC 擁有更高的的采樣速度和精度，PWM 的分辨率也是越高越好。在無(wú)刷電機(jī)控制，也需要優(yōu)化 FOC 算法，這樣就能減少運(yùn)算時(shí)間。以上正是 Qorvo 這顆芯片所具備的。

據(jù)了解，PAC 采用的性能一般的 Cortex-M0 內(nèi)核，主頻為 50MHz，為了實(shí)現(xiàn)較高的控制頻率，需要盡可能對(duì) FOC 的算法進(jìn)行優(yōu)化和精簡(jiǎn)，以減少每次 FOC 運(yùn)算的占用時(shí)間。

以本文拆解的產(chǎn)品為例,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了 12.5KRPM，這已經(jīng)是目前行業(yè)最頂尖的水準(zhǔn) 。

2. 恒功率控制及保護(hù)

對(duì)于一款無(wú)刷電機(jī)控制器，準(zhǔn)確的功率計(jì)算和控制方法也是很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，才能讓你在恒功率控制的使用場(chǎng)景下，可以在吸塵器不同工況（風(fēng)道變化，電池電壓的變化）下保持恒定的功率輸出的同時(shí)，還能保持除塵能力。在這方面，國(guó)產(chǎn)方案表現(xiàn)得不怎么好，或者干脆沒(méi)有，但 Qorvo 的這顆芯片在這個(gè)方面表現(xiàn)出色。

（在電池放電周期內(nèi)，電池電壓緩慢下降的情況下，驅(qū)動(dòng)器功率恒定在 176W，功率波動(dòng)在 1W 以?xún)?nèi)）

除此之外，Qorvo 這顆芯片還有完善的保護(hù)措施，當(dāng)中包括了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、堵轉(zhuǎn)、開(kāi)路保護(hù)、內(nèi)部電源監(jiān)控及保護(hù)、Cycle-By-Cycle 限流、過(guò)溫等。而對(duì)電源和溫度進(jìn)行監(jiān)控和故障保護(hù)，也讓整個(gè)方案的安全性有了進(jìn)一步的提升。

據(jù)介紹，PAC 內(nèi)部集成了多個(gè)內(nèi)部電源監(jiān)測(cè)的功能和溫度檢測(cè)功能，可以用 ADC 去采樣內(nèi)部電源或者復(fù)位芯片，同時(shí)芯片過(guò)溫的話，會(huì)觸發(fā) MCU 復(fù)位事件.

在這顆芯片的支持下，吸塵器能夠持續(xù)的在 12 萬(wàn)多轉(zhuǎn)的速度還能保持度準(zhǔn)確的功率計(jì)算和控制方法，在多維度的安全方面也得到了保證，這是非常難完成的一個(gè)挑戰(zhàn)。

3. 快速啟動(dòng)

為了優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)算法，Qorvo在這個(gè)芯片中采用了如高頻注入等新的啟動(dòng)方式。所謂高頻注入，是指在啟動(dòng)之前在電機(jī)中注入高頻的信號(hào)用于檢測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)反轉(zhuǎn)及快速啟動(dòng)。在這個(gè)設(shè)計(jì)的助推下，這款產(chǎn)品達(dá)到了瞬間啟動(dòng),啟動(dòng)速度在0.5S左右。

4. 低成本

對(duì)于現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，成本會(huì)是衡量一個(gè)方案選型的重要參考，而這也是Qorvo這顆芯片能夠提供的。

由于PAC電機(jī)控制芯片內(nèi)部集成了電源、柵極驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放、比較器等，這種高集成度的芯片將原來(lái)放在外部的分立器件都集成到一顆芯片里面，所以PCB面積小了，相對(duì)應(yīng)的BOM成本就低了。這個(gè)高集成度還減少了分立器件帶來(lái)的系統(tǒng)失效率和返修率。

值得一提的是，這個(gè)方案采用了單電阻做Sensorless FOC控制. 不同于之前的3顆采樣電阻做電流重構(gòu)的方案，單電阻采樣的方式能進(jìn)一步降低成本。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)算法有比較高的要求，Qorvo能夠提供針對(duì)單電阻算法完整的控制策略和代碼。

另外，從實(shí)際測(cè)試中看來(lái)，這個(gè)方案的功耗也能提供很亮眼的表現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，PAC休眠模式下功耗為12uA，整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)功耗表現(xiàn)也很亮眼。