BLDC的應用持續增長，主要市場驅動力來自于以下幾個方面：工業類電機應用節能指令提出了新要求；印度對于吊扇應用，致力于實現50%的節能目標；越來越多設備的終端客戶，希望有更好的使用體驗。
無刷直流電機（BLDC）的應用在持續增長。其主要市場驅動力來自于以下幾個方面：
第一，工業類電機應用節能指令提出了新要求。據悉，歐盟計劃到2035年節能2000億美元的能耗。其中的一個重點就是電機——其耗電量占到總能耗的50%到60%，可謂是“耗電大戶”。
具體來說，家電標識是家用電器能效的重要參考。歐盟新規定要求，洗碗機效率必須要有30%的提高。這就主要取決于電機轉換效率的增加，進而意味著低端電機或控制算法的更新換代。現在很多應用都從有刷直流電機轉向無刷直流電機。無刷和有刷的最大區別是有無電刷，這就涉及到摩擦損耗。
此外，歐盟還有一個ErP指令，要求在2025年，所有家電設備的待機能耗要小于300mW（原來的標準是500mW）。這涉及到MCU睡眠模式和無線藍牙模塊等功耗的優化。
第二，印度對于吊扇應用，致力于實現50%的節能目標。據估計，目前印度的家庭中，大約有八億個吊扇在使用。這些吊扇中就會用到電機。目前，這些吊扇中用的都是低效的單向感應電機，而不是BLDC。這就是BLDC的另一個機遇。
第三，越來越多設備的終端客戶，希望有更好的使用體驗。這又包含三個方面：
無刷直流電機本身沒有電刷，靜音效果就非常好。打個比方，我們家里的排油煙機在做飯炒菜的時候，當然希望越安靜越好。這時，BLDC就能帶來更好的用戶體驗。
暖通空調應用要求對氣流實現精確控制。這意味著對電機轉速，進而對電機前后風壓的比例做到相對準確的控制。無刷直流電機可以采用MCU進行軟件控制，因此可以實現更精準的氣流控制。
更少的家電設備宕機時間。宕機時間也即設備損壞之后，經歷維修階段，導致其無法使用的一段時間。宕機時間當然是希望越少越好。直流無刷電機不僅壽命更長，而且由于采用MCU控制，可以通過檢測實現預測性維護，因此能夠使宕機時間縮短。
BridgeSwitch-2 IC產品適合于1馬力的單相或三相電機的驅動
前不久，Power Integrations（PI）公司面向1馬力（746W）單相或三相電機驅動推出了BridgeSwitch-2 IC產品。據了解，該產品主要用在電機逆變器的應用，與其第一代產品（最大功率為300W到400W）相比，實現了輸出功率的提高。其中包含多個型號，C封裝對應功率比較小的型號，W封裝對應支持500W到750W應用的型號。
據PI資深技術培訓經理閻金光（Jason Yan）介紹，隨著輸出功率的增加，該產品可以涵蓋更大的應用范圍。它可以使不同型號的工業類應用都使用BLDC。“當然，這款產品面向高壓BLDC應用。BLDC分為高壓和低壓。有些時候，24V就沒有必要使用這個系列的產品。這里的高壓指的是300V至320V的直流母線電壓。這類應用本身的效率較高。以汽車產品為例，母線電壓由400V上升到800V的好處就是，電流可以減半，這樣損耗就可以降低。因此，想達到一個更高效的設計，一般來講，都是在功率不變情況下提高電壓，降低電流，從而使效率增加。電壓的增加對半導體的耐壓提出了更高的要求。隨著母線電壓增加，開關管的耐壓都要有相應的增加，才能滿足具體使用需求。”閻工說。
BridgeSwitch-2及MotorXpert提供了整體逆變器解決方案
除了第二代產品之外，PI還提供了MotorXpert軟件。“一個電機要想實現真正的運轉，不只是依賴于硬件，還需要軟件的支持，也就是需要有MCU運行程序。程序和硬件的搭配對于電機調整來說非常關鍵。如果沒有整體解決方案，讓客戶自己去選擇MCU或調試軟件的話，就可能花更多的時間。PI考慮到有很多終端客戶都有類似的需求，因此提供了全套的整體逆變器解決方案。這樣就可以縮短產品的上市時間。”閻工表示。
除此之外，它還有低待機功耗的特點，可以輕松滿足歐盟ErP的300mW待機標準的要求。他特別提到，PI利用自己的技術優勢，實現了電機工作狀態的檢測。所謂的工作狀態，就是電機的磨損程度，電機的使用壽命。有了這個技術之后，就可以在故障沒有真正發生之前提前更換電機，從而縮短整個設備的宕機時間。
這款IC內部集成了上管跟下管。而在驅動三相電機的時候，則是采用三個器件來驅動。每個器件可以通過在PCB板上均勻分布來幫助散熱。這樣，就不需要在傳統的IPM模塊上添加一個很大的散熱片來進行散熱。利用PCB板進行散熱，可以優化散熱的設計。
同樣，延續了PI一貫的優勢，該解決方案的元器件數目也可以做得非常少。這不僅可以提升可靠性，而且，由于在很多的電機當中都是把逆變器的驅動板跟電機做到一起的（做成圓形設計），以便將它放到電機殼的內部（做到外部就需要用導線連接，而且會影響可靠性），因此更少的元器件就可以節省PCB的空間，從而方便與電機的集成。
講到效率，就需要提到功率開關管的一個特性。PI集成的上管和下管叫做FREDFET。對于電機這樣的感性負載，FREDFET與一般的MOS管的最大區別就是，它的體二極管的反向恢復特性做了極大優化。這種優化可以保證效率做得更高，同時還能兼顧EMI表現。“如果是一個400W輸出功率的話，1%的效率就是4W了。這樣大的功率會使任何一個局部發熱點在發熱的時候都是非常燙的。在這種功率比較高的應用當中。哪怕是1%的效率提高，都能對IC的溫升和散熱要求產生極大的區別。”閻工說。
最后，它提供MCU控制，因此可以實現精確的BLDC控制。“無論是轉速還是噪聲，還是波形和諧波等等，這個解決方案都可以提供更好的控制。這也是我們的BridgeSwitch-2和MotorXpert配合之后帶來的一些主要優勢。”閻工說。
簡化散熱設計
新功率封裝以及高效特點優化器件的溫升性能
BridgeSwitch-2采用了新的功率封裝。“畢竟它是用來處理功率的，因此在小功率當中，還是延續舊有的的InSOP-24C封裝，它的底部有兩個裸露焊盤。這樣，就可以利用回流焊的方式，把它焊到PCB板上來進行散熱，從而節省散熱片。對于輸出功率比較大的應用，比如500W和750W的兩個系列產品，可以采用新的InSOP-L38封裝。封裝體積更大，本身的散熱能力也更強，因此可以處理更高的輸出功率。”閻工說。
“這個封裝也叫W封裝。這樣就可以讓每個半橋都有一個單獨的封裝來進行散熱。在PCB板上可以把它分布到不同的位置來增加它跟PCB板的接觸面，從而省去傳統的外加散熱片的方式。”
采用集成半橋（IHB）架構將IC溫度降低30℃以上
如下圖左邊所示，BridgeSwitch-2采用IHB架構，可以將IC的溫度降低30℃以上。三個不同的半橋IC，最高溫度是在88.3℃左右。下圖右邊是電機外殼內部的驅動板，這三個IC可以實現圖中所示的均勻分布。右邊則是MCU。
傳統的IPM模塊與之相比，內部有六個開關管，集中發熱點的發熱情況是非常嚴重的，因此，一般來講，IPM模塊都需要加散熱片。暫且不說絕緣問題，包括安規問題的處理，加了散熱片之后，至少高度會高出很多。這樣，要想把它放到電機外殼當中，有時就是一件不太可能完成的任務。
除了MotorXpert之外，PI還有一個電源的設計軟件PI Expert。“考慮到有些客戶對溫升不確定，不知道該用多大的PCB板來散熱，因此我們開發了這個PI Expert，用它來對器件的溫升進行估算。在錄入逆變器輸出功率和效率以及最大外殼溫度信息后，根據熱阻情況，就可以建議PCB板的散熱面積應該用多大。”閻工說。
內置相電流檢測功能優化系統性能
集成相電流檢測（IPH）直接提供了相電流信息，簡化了電流反饋電路
任何電機控制都要檢測相電流信息。通過檢測轉子位置了解相電流之后，就可以進行FOC控制，也即上管和下管的調制。傳統的方式是采用外部電流檢測電阻，通過源極到母線的地端加一個電阻來檢測相電流。這樣的方式，一方面它會損失效率——相電流會始終在這個電流檢測電阻上產生損耗；另一方面，它要加一些額外的電路進行信號放大和電平轉換等等，這些電路也會占用更多的PCB板面積，也會增加系統成本。
PI采用了另一種方式，那就是內置相電流檢測功能。如圖所示，系統的MCU需要知道相電流的信息，一般這個電流都是通過在LS跟地之間加一個電流檢測電阻進行檢測。PI則是利用下管的內部電路來進行檢測，然后通過IPH引腳在外部接一個電阻即可。這個電阻上的壓降直接反映了相電流的大小。這種方式可以完全簡化掉外部的電流檢測電阻，以及相應的外圍電路。
這樣做的另外一個好處是，由于電流是在內部進行檢測的，電流的信息就不會受噪聲的影響。“我們知道，電機轉起來之后，它有一個很強的電場和磁場。這時，它的使用環境具有很強的噪聲，非常地臟。我們一般希望電流檢測信號越低越好，這樣損耗才會降低。但當它低到一定程度之后，噪聲就會對檢測的準確度產生影響。通過這樣的方式，可實現精確的檢測。相電流的信息不會受噪聲的影響。這也是IPH內部電流檢測方式的一個巨大好處。”閻工說。
傳統的方式是在下管上加一個電流檢測電阻。檢測完了之后，還要用運算放大器進行放大，還要做電平轉換，因為MCU的ADC輸入端只能接受正信號。對于三相電路，每一相都需要有這樣一套電路，總共就需要三套電路。這就會造成電路成本的增加。采用IPH方式的話，就可以省去這些外圍電路。
基于IPH的電流信息可省去90%的電流反饋電路并將逆變器損耗減少10%以上
如下圖電機系統所示。電機驅動來自于逆變器，它由三個BridgeSwitch器件構成。BridgeSwitch器件可以檢測相電流的信息并反饋到軟件端——MCU。實際上，整個系統是一套軟硬結合的系統。硬件部分包括逆變器和電機，軟件部分負責執行FOC控制。這樣就形成了閉環控制。在去掉電流檢測電阻之后，逆變器的損耗減少了10%以上。盡管效率提升可能不會有那么多，但溫升表現是極其明顯的。
精確的電流測量
電流檢測信息需要做到精確，不受噪聲影響。那么與傳統方案相比，IPH方案具有哪些優勢？從下圖可以看出，三個相電流的正弦波信息是非常干凈的。合成的電流直接反映了相電流的大小。因此，利用這個IPH信息做閉環電流控制，所得到的波形非常漂亮。
但是，如果用傳統的分流器（外部電流檢測電阻）來檢測，由于它的信號比較小，所受到噪聲的影響就比較大，這個檢測結果就會直接影響到MCU內部的計算。MCU要根據具體的電流信息來進行計算。它在控制開關管開關時，所產生的電流波形就不是一個理想的正弦波，這就說明諧波成分比較高，損耗也就比較高，效率就會受到影響。另外，由于不是理想的正弦波，所產生的噪音也會比較明顯。“我們知道，電機的一個最直觀的指標就是要靜音，要降噪。BLDC尤其如此。我們希望用BLDC的主要原因，一個是高效，一個是靜音。從這兩種不同的方式可以看出，IPH電流檢測方式具有更大的優勢，不但節省了成本，提升了效率，而且波形的質量也要遠遠好過分立元件檢測的方式。
預測電機的維護狀態更加精確且兼具成本效益
另外，前面提到，還可以利用IPH精確檢測的方式來準確預估電機的壽命，進而縮短宕機時間。電機的轉動過程中存在著震動和旋轉，也就會有磨損和摩擦。電機的定子和轉子一開始耦合是很好的，但隨著使用壽命的增加，磨損逐漸增加。電機轉子的磁場會產生反向電動勢，跟定子產生的磁場作用，就會造成電流波形的畸變。
可以通過檢測相電流的方式來了解電機的使用壽命，了解它的磨損度達到了40%、60%或80%等等。當我們知道電機快壽終正寢的時候，就可以提前把電機換掉。這樣，就可以保證設備實現很順滑的運行，從而使宕機時間縮短，而不必在設備出現了故障之后才更換電機，這就是可預測的電機維護狀態。
“可以通過精確的電流檢測來預知電機的使用壽命，是一個很重要的特點，尤其在很多高端設備當中，我們不希望真正出故障時才去維護它，而是希望在故障發生之前，就實現預測性維護。首先，這要建立在對相電流精確檢測的基礎上。如果采用IPH的檢測方式，預測的準確度可達到92.5%。與此相比，采用分流器的方式會受到噪聲影響，導致其準確度只有55%。
“從這個角度來看，利用IPH精確的電流檢測，可以實現可預測的系統維護。電機的好壞可以經由對相電流的分析加以預測。這種預測的好處就可以達到更好的用戶體驗，縮短宕機時間等等。甚至，如果設備具有遠程監控的功能，還可以遠程檢測電機的狀態，看看它的磨損度達到多少，這是非常有意義的、有力的一個產品賣點。”閻工說。
進入“睡眠”模式，降低待機功耗
除了BridgeSwitch功率增加，以及可以用IPH來做可預測系統維護外，第三個重要特點就是它可以進入睡眠模式。睡眠模式，顧名思義，就是可以降低待機功耗。PI的第一代產品當中是沒有這個模式的。第二代產品考慮到客戶的實際使用需求，最終加入了這個功能。
使用BridgeSwitch-2產品的逆變器在使用外部供電情況下具有高達99%的效率
在談睡眠模式之前，首先來看一下電機在正常運轉期間，它的功率架構是什么樣的。下圖是一個采用320V直流電壓源供電的高壓BLDC。這個直流高壓加到逆變器的母線端，三相逆變器就會有三個半橋電路。除了開關之外，它還有驅動電路，這個驅動電路的供電是來自于輔助供電。
圖中的輔助供電采用的是Link-Switch-XT2SR電源。它也是PI的一個IC，可以用于輔助供電應用。當然，也可以采用其他的方案，但需要是雙路輸出的電源。一路輸出是15V，給逆變器驅動電路進行供電。另一路輸出是3.3V，給MCU進行供電，進而實現FOC無感控制的運算。這樣一套方案做下來，采用15V外部供電，可以做到99%的轉換效率。前面講到，750W電機，如果效率能實現1%提升的話，溫升表現都是有很大差異的。
BridgeSwitch第一代的驅動電壓是16.5V。現在，為了兼顧現有IPM模塊15V的供電電壓，其第二代產品當中也是把供電電壓調成了15V的供電。
睡眠指令重新設置功率架構
現在來看，怎么進入睡眠狀態。這涉及到什么時候檢測到睡眠。一般來講，我們需要通過MCU檢測設備處于睡眠工作狀態，比如30s之后不工作，或者3min內不工作，就讓設備進入到睡眠模式。當MCU檢測到睡眠狀態之后，它會發出一個指令給輔助供電電源，讓它的輸出電壓降低。
輔助電源的輸出電壓越低，它本身的損耗也會降低。輸出采樣電路，包括反饋電路，都會有相應的功耗降低。總體目標是降低總體輸入的待機功耗。把15V輸出降到6V輸出后，逆變器當中的驅動沒法供電了，這時，它就會切換到自供電方式。BridgeSwitch第一代產品一般都是有自供電的。第二代也可以通過320V來進行自供電。切換到自供電操作之后，用MCU發出一個睡眠指令給它。BridgeSwitch當中有個SLP的引腳，一旦電平變換之后，就會進入到睡眠模式。進入到睡眠模式之后，它的待機功耗就可以降低到10mW以下。（注：一般來說，如果功耗小于5mW，就可以認為是零功耗——幾乎所有低端甚至是高端的功率計都沒法測量了。）
按照ErP的標準——300mW，10mW的待機功耗意味著可以有290mW用在其他負載上面。無形當中意味著可以在待機模式實現更多的待機功能。這樣就能使用戶體驗變得更好。
MotorXpert簡化了設計及方便設計優化
電機本身除了硬件，還有很大一部分工作是在軟件上面。一般來講，要想開發一個電機產品，首先要購買電機、MCU，要設計一套電機驅動軟件，要根據購買的硬件進行一對一的搭配調整，因為每一個電機的參數都不同，轉子的慣性也不一樣。甚至它的旋轉起來之后，本身公差的不同，也會造成音頻噪聲的高低差異。這個時候，就需要一個具體的調試過程。
總體逆變器設計解決方案加快了設計周期
PI提供的軟硬搭配的總體解決方案，讓工程師可以不必懂得編寫代碼，不必像程序員一樣知道怎么去調整。在提供逆變器IC的同時，PI提供了一個MotorXpert的電機調試軟件。它具有一個圖形用戶界面，客戶可以手動錄入一些參數，來看電機旋轉的表現，包括效率表現、噪音表現，電流波形是不是理想的正弦波等等。
客戶需要在電腦上安裝一個MotorXpert軟件。它有一個接口板，與逆變器的板子進行接口。其中的故障也是雙向傳輸的，可以在這個軟件的界面上顯示出來。同時，它還能產生相應的PWM控制信號，控制半橋電路中上管跟下管的開通。還有IPH的電流反饋，也是通過這個軟件進行檢測。這個整體解決方案，加快了產品進入市場的周期。
MotorXpert中用于電機啟動及性能優化的圖形用戶界面
MotorXpert可以實現哪些功能呢？
無論是單相還是三相電機的設計，它可以實現對電機的啟動/停止。
可以設置一些具體的參數，包括電機的調試和啟動過程以及轉速等各項參數。參數是實時設定的，就是電機不必停下來，比如把轉速由2500rpm改成3500rpm。當然，轉速增加的快慢，是通過調整PID的參數來實現的。
可以提供一些可視化信息。包括電機及逆變器的故障診斷（過流、過溫、過壓故障等等），都可以以故障母線的方式返回到軟件端。包括電機的電流及轉速是多少，都可以實時地顯示出來。最有意思的就是數字示波器，前面提到的相電流的波形和IPH的波形就是用它顯示出來的，在電腦上就可以實時地看到電機當中運轉的電流波形。
最后，它易于使用。很多參數都可以實時地進行設定。用戶無需了解C語言，無需了解代碼，就可以用圖形界面的方式直接改變軟件的設定。當電機調試好了之后，就可以把生成的軟件拷貝出來，然后在批量生產時燒入到MCU即可。
總結
總體來講，BridgeSwitch-2和MotorXpert簡化了電機設計，增加了效率，降低了空載功耗。
具體來說，首先，與第一代相比，BridgeSwitch-2提高了功率，目前已能完美適用于1馬力（750W）輸出功率的電機應用。這樣的輸出功率可以涵蓋更大的使用范圍。
第二，它針對功率比較大的場景提供了更好的新封裝。
第三，睡眠模式可以做到小于10mW的待機功耗。
第四，IPH電流檢測方式可實現可預測的系統維護。
此外，它支持單相或三相電機。
硬件連接的保護特點（也就是保護特性靠硬件來完成）還加快了產品上市時間。“目前很多方案都是采用硬件檢測故障，然后反饋到軟件當中，由MCU來終止驅動信號，實現保護，這種保護是依賴于軟件的，不太可靠。硬件的方式則可以實現更可靠、更及時的保護。”閻工說。
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