ST：電機驅動(dòng)器向高集成度、小體積、高性?xún)r(jià)比演進(jìn)

　　無(wú)人機、陪伴機器人、工業(yè)機械手、3D打印機、智能門(mén)鎖、電動(dòng)牙刷……，電機的應用種類(lèi)和數量越來(lái)越多。同時(shí)，電機驅動(dòng)器的集成度會(huì )越來(lái)越高、體積越來(lái)越小、成本越來(lái)越低。近日，ST(意法半導體公司)亞太區智能電源、IPAD、保護器件部市場(chǎng)和應用總監David Lucchetti指出。他是在該公司STSPIN電機控制產(chǎn)品媒體交流會(huì )上表達此觀(guān)點(diǎn)的。

　　電機驅動(dòng)器趨勢

　　怎樣算是一個(gè)好的電機產(chǎn)品?主要滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求，有的客戶(hù)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)電機的應用場(chǎng)合主要是位置傳感，可用于醫療注射泵，對藥劑量注射要非常準確，但速度不一定快；有的重視性?xún)r(jià)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(jià)格更便宜，也相應地提高了性?xún)r(jià)比。

　　為了實(shí)現高集成度，ST正在做SiP(系統級封裝)。主要有兩種途徑，如下圖。

　　具體地，第一種途徑是把驅動(dòng)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(gè)MOSFET，堪稱(chēng)業(yè)界最先進(jìn)的產(chǎn)品，主要因為性能指標高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。如下照片。

　　另一途徑是“驅動(dòng)器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設計速度快，因有STM32F0 MCU；二是集成度高，簡(jiǎn)化了設計，節省了BOM(物料清單)。照片如下圖。

　　那么，為何目前只有基于A(yíng)RM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，而沒(méi)有基于M3、M4的集成驅動(dòng)產(chǎn)品？因M3、M4針對更高端的應用，但ST目前進(jìn)軍的中低端大批量市場(chǎng)目前還不需要更高端，例如電動(dòng)工具等，過(guò)去是8位MCU，現在升級到基于32位的M0控制，已非常進(jìn)步。在中低端市場(chǎng)，M0性?xún)r(jià)比比M4高，可滿(mǎn)足從有傳感到無(wú)(位置)傳感、再到SoC控制等的需要。當然，后續會(huì )有集成M4的驅動(dòng)器系列推出。

　　那么，為何不進(jìn)一步提高集成度：把驅動(dòng)器、功率器件和MCU做成三位一體？因為從市場(chǎng)角度，加入MOSFET后功率選擇不夠靈活，應用領(lǐng)域會(huì )受限。另外，從技術(shù)角度，驅動(dòng)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，需要做設計的平衡。

　　在節省成本方面，盡管無(wú)刷直流電機(BLDC)很有優(yōu)勢，但是還要根據具體情況。例如消費類(lèi)機器人/陪伴機器人對成本敏感，通常采用直流有刷電機。掃地機器人也是直流有刷電機。因為有刷直流電機價(jià)格便宜，性?xún)r(jià)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(hù)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”驅動(dòng)器芯片STSPIN250。

　　ST的優(yōu)勢

　　ST做電機驅動(dòng)有30年的歷史，業(yè)界第一個(gè)“預驅動(dòng)+MOSFET”、“預驅動(dòng)+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了解其設計訣竅(konw-how)，可以匹配得很好。

　　業(yè)界第一個(gè)BCD(Bipolar+CMOS+DMOS)是ST做出來(lái)的，難點(diǎn)是模擬與數字、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(xiāo)量最大的電機驅動(dòng)產(chǎn)品家族之一，有125種產(chǎn)品型號，從電池驅動(dòng)的小功率(5W，例如電動(dòng)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(chǎng)。和同業(yè)相比，ST的優(yōu)勢：1.產(chǎn)品在市場(chǎng)上的驗證度。由于ST主要是做工業(yè)產(chǎn)品，多年下來(lái)積累了高可靠性的經(jīng)驗。2.功率器件是自己的工藝，比在市場(chǎng)上買(mǎi)來(lái)再封裝的SiP產(chǎn)品更靠譜。3.M0 MCU有標準的庫，資源豐富。4.封裝做得好。

　　從生態(tài)系統角度看，有評估板，像搭積木一樣可以模擬出一個(gè)系統。ST還有針對一些應用，例如3D打印機的完整的解決方案(如下照片)，可以從官網(wǎng)上免費下載，只需簡(jiǎn)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)電機驅動(dòng)器針對那些對位置功率控制有要求的場(chǎng)合，定位分辨率達到每步256微步。STSPIN230堪稱(chēng)三相無(wú)刷電機驅動(dòng)器中業(yè)界最小的，可簡(jiǎn)化客戶(hù)設計，例如無(wú)人機云臺(如下照片)。STSPIN240是雙電機驅動(dòng)器，適合小型的閥門(mén)控制。

　　照片：ST云臺萬(wàn)向節控制方案，采用STSPIN230驅動(dòng)無(wú)刷直流電機(BLDC)，特點(diǎn)是功耗低，可用于無(wú)人機航拍。注：通常的視頻監控/安防采用步進(jìn)電機。

　　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”驅動(dòng)器芯片STSPIN250，2.6A，面積3mmX3mm，集成一個(gè)功率MOSFET全橋和一個(gè)關(guān)斷時(shí)間固定的PWM電流控制器。

　　STSPIN高級步進(jìn)電機驅動(dòng)器有L6470、L6472與L6474

　　SiP芯片組方面，2016年11月，推出STSPIN32F0系列智能電機控制器，針對智能工業(yè)和高端消費電子。

　　如何服務(wù)客戶(hù)?

　　生態(tài)鏈方面，ST面對的客戶(hù)主要是方案客戶(hù)，比較單一。因為方案客戶(hù)(含IDH)通常有一定的設計能力，ST能配合這些方案客戶(hù)/IDH(設計公司)。而方案客戶(hù)對接電機廠(chǎng)。

　　那么，算法方面如何幫到客戶(hù)？客戶(hù)主要有兩大類(lèi)，第一類(lèi)非常懂電機，會(huì )自己編程和算法;另一類(lèi)客戶(hù)只知道用電機，但對具體的電機控制沒(méi)有概念，為此，L6470、L6472等把算法集成進(jìn)去了，客戶(hù)只要給SPI發(fā)命令即可控制。

　　談到市場(chǎng)特點(diǎn)，消費類(lèi)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(chē)，因此很難預測其市場(chǎng)。

　　但馬達/電機市場(chǎng)總的特點(diǎn)是越來(lái)越大。一些應用盡管很難區分是消費類(lèi)還是工業(yè)類(lèi)，例如服務(wù)/陪伴機器人，轉軸越來(lái)越多，因此馬達的需求量越來(lái)越大。

　　展示亮點(diǎn)

　　展示中，筆者觀(guān)察有兩個(gè)特點(diǎn)：1.這么多電機在一起工作，聲音很輕，可見(jiàn)損耗小，效率高。另一個(gè)特點(diǎn)是：ST及代理商的產(chǎn)品同臺展示。ST重在展示大的應用方向，代理商側重某個(gè)行業(yè)的具體方案，例如吸塵器。

照片 空調風(fēng)機演示版，基于STM32F0和IPM NANO空調室內風(fēng)機和吊扇的方案

　　照片：糖果機模型，基于STM32和X-Nucleo系列開(kāi)發(fā)板

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