MPS做一體化電機驅動(dòng)方案有三絕招
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美國MPS擁有一體化和全集成的電機驅動(dòng)方案。不久前，電子產(chǎn)品世界等媒體在上海訪(fǎng)問(wèn)了MPS全球電機驅動(dòng)產(chǎn)品線(xiàn)的產(chǎn)品總監翟松先生。
所謂全集成，就是把電機的電路部分整合在一起，變成一體化（如下圖左側），包括電機（例如無(wú)刷直流或者永磁同步）、控制芯片、功率級，再加上人性化的軟件。
另外，如果客戶(hù)本身就是做BLDC電機的，還可以直接采購MPS的控制模塊（如上圖右側），包括FOC的控制、磁性編碼器以及功率級，還包括通信的接口等，然后直接裝到現有的BLDC/同步電機里面，這樣的電機就會(huì )變成一個(gè)完整的一體化電機。
據悉，MPS主要關(guān)注電壓200V、功率500W以下，且可以高度集成的電機產(chǎn)品。目前該公司展示了2種模塊，如上圖右側的57mm和42mm的產(chǎn)品，后續會(huì )推出更多的產(chǎn)品，以針對不同的尺寸的電機。
1 實(shí)現“一體化”的三個(gè)硬核
做電機的公司那么多，年輕的MPS有何過(guò)人之處？翟松總監稱(chēng)，主要有三大優(yōu)勢：半導體工藝、封裝工藝和磁編技術(shù)。
公司成立于1997年，二十多年來(lái)，電源和電機產(chǎn)品涵蓋各個(gè)領(lǐng)域，總共超過(guò)2000種，每年會(huì )推出50~100種新品，根基是兩大核心技術(shù)——工藝和封裝。那么，MPS沒(méi)有自己的工廠(chǎng)，是如何實(shí)現其獨有的工藝和封裝呢？
在芯片制造方面，采用Fab-lite模式：不使用代工廠(chǎng)提供的制程，而是自己研發(fā)制程。好處是既能全部采用自己的制程，又不需要很高的投入。
在封裝方面，MPS會(huì )采用外部的封裝廠(chǎng)，但是和其他公司不一樣的是，MPS所有的final test（最終測試）全部在自己的位于成都的工廠(chǎng)完成，以保證產(chǎn)品的品質(zhì)。
MPS于2012年推出了電機產(chǎn)品線(xiàn)，正式進(jìn)軍電機市場(chǎng)。為了有“一招鮮”，2014年收購了世界上最先進(jìn)的磁編碼器公司瑞士Sensima，希望以此在強手如林的電機市場(chǎng)“吃遍天”。
1.1 工藝——獨特的DMOS技術(shù)
MPS是如何將所有的電源系統集成在一個(gè)芯片上的呢？該公司有自己的制程。因為MPS做的是模擬和數字模擬結合的混合信號產(chǎn)品，采用的是BCD（Bipolar，CMOS，DMOS）工藝。其中的DMOS就是功率器件的工藝，它是MPS公司產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵?，F在最先進(jìn)的是第五代——BCD5是2017年推出的（如下圖）。
1997年，MPS的創(chuàng )始人兼CEO（首席執行官）Michael Hsing先生擁有一種獨創(chuàng )的BCD工藝，因此在美國硅谷創(chuàng )立了MPS。這種技術(shù)可把功率器件和控制邏輯集成在一個(gè)芯片上。
那么，MPS的BCD到底有什么獨到之處呢？這涉及到如何判斷BCD是否先進(jìn)？通常有一個(gè)指標RdsA。眾所周知，Rds是源極到漏級之間的導通電阻，如果想要把電阻做得很低，就要把硅的面積做大；但是如果只是單純地靠把面積做大來(lái)降低導通電阻，會(huì )存在一些問(wèn)題，首先是成本，其次是面積做大以后，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )增加。為了衡量BCD工藝的好壞，業(yè)內有RdsA指標，即“導通電阻×面積”。
MPS能在同樣的面積上，導通電阻做得比友商的低，即RdsA更低，表明MPS的工藝是先進(jìn)的。實(shí)際上，從第一代開(kāi)始，MPS就在RdsA方面領(lǐng)先業(yè)界，這也是MPS在業(yè)內不斷成長(cháng)，處于不敗地位的關(guān)鍵。
1.2 Mesh Connect?封裝工藝
封裝工藝在集成電路里也是非常關(guān)鍵的，特別是對功率器件。
通常的封裝工藝是采用打線(xiàn)的方式，如打金線(xiàn)或打銅線(xiàn)連到管腳，但是不管是打金線(xiàn)還是打銅線(xiàn)，都有一定的導通電阻，而且線(xiàn)會(huì )引起寄生電感，產(chǎn)生噪聲，從而影響開(kāi)關(guān)的速度。
為此，MPS在2011年左右推出了獨特工藝——Mesh Connect?（如下圖）。它很像BGA的工藝，但是把BGA芯片反過(guò)來(lái)，倒放在引線(xiàn)框（Lead frame）上，通過(guò)焊球直接連接，這樣可以省掉線(xiàn)的部分，優(yōu)勢是不僅降低成本，還可以把導通電阻完全消除掉，也不再有寄生的電感影響開(kāi)關(guān)速度。
如果采用同樣的3×3mm2封裝，使用“Mesh Connect?”工藝后，可以放更多的Die（晶片），且達到更低的導通電阻。
MPS是在業(yè)界最先使用“Mesh Connect?”技術(shù)的，現在才有友商開(kāi)始追趕，但是MPS的“Mesh Connect?”技術(shù)始終居于領(lǐng)先地位。
1.3 位置傳感器的磁編
MPS公司成立了22年，在歷史上只有一次并購，即2014收購了瑞士Sensima的公司。
因為2012年MPS成立了電機產(chǎn)品線(xiàn)，開(kāi)始正式進(jìn)軍電機市場(chǎng)。為了獲得獨有技術(shù)，看中了規模不大的Sensima公司，因為該公司有世界頂級的磁性編碼器技術(shù)，該技術(shù)是瑞士理工大學(xué)的教授和其博士生一起開(kāi)發(fā)的，現在目前在市面上也可以看到不同的公司的磁性編碼器，其技術(shù)最初都是從瑞士理工大學(xué)取得的License（許可證）。
為何磁編很重要？因為一個(gè)伺服系統里，除了要有電機本身和power stage（功率級）以外，還需要編碼器來(lái)做位置和速度的檢測。目前大部分都是用光編。光編的好處是有非常高的精度，但是缺點(diǎn)是體積大，價(jià)格較貴，怕灰塵，例如如果室外灰塵很大（因為中國北方的風(fēng)沙比較大），如果灰塵落到光編的光柵上面，阻擋住了光線(xiàn)，它的精度一下子就降低了，而磁編就不會(huì )存在這些問(wèn)題。磁編體積小，價(jià)格便宜，而且不會(huì )受到灰塵的影響。
當然這并不意味著(zhù)磁編可以完全取代光編。但是對于大部分中低端的應用，如果不需要非常高的定位精度，其實(shí)磁編是個(gè)更好的選擇。
例如下圖，MPS的板子上都帶了驅動(dòng)，包括磁編也是放在這個(gè)板子上，客戶(hù)所要做的就是在電機的軸端加一塊磁鐵，這樣就可以感應到轉軸的位置，其他所有的編碼器、傳感器、功率級等都集成到IC里，就變成了一體化電機。而且這些附加的部分很小，跟通常的伺服電機比起來(lái)，體積非常小，不會(huì )影響到整個(gè)外形的尺寸。
2 MPS的產(chǎn)品系列
具體地，MPS以功率器件/電源產(chǎn)品為主，主要有AC/DC、 DC/DC、電池管理、D類(lèi)功放、LED背光，應用于汽車(chē)、工業(yè)、電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域。
在電機驅動(dòng)以及位置傳感器相關(guān)的方面，即 “e-Motion”控制。是MPS非常重視和高投入的領(lǐng)域。
目前MPS看好的電機驅動(dòng)的目標應用領(lǐng)域很廣，有打印機、電動(dòng)工具、電動(dòng)車(chē)、風(fēng)扇、醫療設備。
提到電機驅動(dòng)，就不得不提MPS的“e-Motion”。其實(shí)e-Motion”不是一款I(lǐng)C或產(chǎn)品，它是一個(gè)概念，包括全集成的硬件和人性化的軟件。
眾所周知，對于馬達驅動(dòng)來(lái)講，必不可少的幾個(gè)部分首先是電機，把電能轉換成動(dòng)能，電機需要控制，因此就需要控制芯片，控制芯片可以是MCU，也可以是DSP或者是ASIC；另外還有Power stage（功率級），可以把直流電轉成電機所需要的電能，相當于一個(gè)功率放大的作用。
所謂的全集成，就是把這些全部整合在一起，變成一體化，包括電機（比如無(wú)刷直流或者永磁同步）、控制芯片、功率級，再加上人性化的軟件，這樣完整的一套方案就是“e-Motion”的概念。
下圖右側的的電機看起來(lái)和普通電機并沒(méi)有什么差別，但是這里面其實(shí)已經(jīng)包含了前文所述的控制芯片、位置傳感器和功率級（下圖左）。用戶(hù)所需要做的就是給電機供電（電源線(xiàn)）并接上數據線(xiàn)，它就可以按照用戶(hù)的意思運轉，控制角度、位置、轉速，甚至轉矩。而一般的電機是沒(méi)有辦法做到的。
3 總結
一體化電機本身用起來(lái)很簡(jiǎn)單，你只要連上電源線(xiàn)，有個(gè)通信的接口就可以用了。如果需要調整或設置參數的話(huà)，就要用到MPS的智能電機軟件GUI，通過(guò)一個(gè)通信接口的盒子連到電腦上，完全是用graphic來(lái)做，使用起來(lái)很方便。
目前MPS智能馬達的產(chǎn)品，功率等級從40W到200W都有。對于模塊，同樣MPS也是有不同的功率等級和不同的尺寸。
圖：MPS上海辦公室展示的各種電機及模塊產(chǎn)品
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