電機控制應用不斷迭代，ST平臺化方案滿(mǎn)足碎片化需求

隨著(zhù)空調、冰箱等白色家電更嚴苛的節能、質(zhì)量標準出臺，需要更加綠色或小體積的解決方案。在機器人、無(wú)人機、電動(dòng)工具等工業(yè)領(lǐng)域，也需要更加高效、節能的電機，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更提出了具有預測性維護、故障診斷等功能的電機解決方案。 

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

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

1 空調解決方案

我國從7月1日起強制實(shí)施極其嚴格的新空調系統能效標準（A+）。 這意味著(zhù)在售產(chǎn)品都必須使用新標準解決方案，所有舊空調系統需要在一定時(shí)間內更換相關(guān)部件，如逆變器或變頻端電路。

ST的解決方案可以完全滿(mǎn)足上述需求，其優(yōu)勢是：傳統半導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(zhù)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的空調系統應用平臺（如下圖），該平臺可通過(guò)用戶(hù)界面提供固件更新和cube SDK開(kāi)發(fā)工具，支持壓縮機電機定制；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種架構支持同一種解決方案。例如針對1.5 kW和2 kW的空調方案，ST提供4種不同的架構，不同的客戶(hù)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(hù)以他喜歡的方式設計板子布局，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還設計了另一種架構，在STM32內核外圍集成驅動(dòng)電路以及該分立解決方案，這是針對空間稍小應用優(yōu)化的解決方案。

值得一提的是，ST還有1.5kW和2kW雙電機驅動(dòng)器方案（如下圖），1個(gè)MCU能夠同時(shí)驅動(dòng)2臺電機，非常經(jīng)濟劃算。

2 冰箱解決方案

如今冰箱能效標準已經(jīng)提高到A類(lèi)以上，對振動(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，合理的空間設計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)系統非常適合設計新一代的冰箱。

3高度碎片化的電機市場(chǎng)需要豐富、靈活的解決方案

電機驅動(dòng)市場(chǎng)非常龐大且碎片化。

在家電領(lǐng)域，除了空調和冰箱，洗衣機、空氣干燥器和洗碗機等解決方案。除了家電外，餐廳、工廠(chǎng)、食品生產(chǎn)商和食品加工廠(chǎng)也有電器設備。以空調類(lèi)為例，HAVC（暖通空調）相關(guān)行業(yè)有暖風(fēng)、通風(fēng)和空調，還有地板溫度、空氣質(zhì)量、濕度等。每種應用有不同的需求。凡是涉及電機控制，ST就有相應的解決方案，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、吸塵器、園藝工具、專(zhuān)業(yè)電動(dòng)工具和工廠(chǎng)自動(dòng)化（機器人）電機控制領(lǐng)域。例如，機器人需要高水平的運算能力，因為需要通過(guò)高水平的數據計算來(lái)獲得極高的控制精度。因此，計算能力是自動(dòng)化的基本要求。醫療設備也有控制精度要求。3D電機控制是如何控制3軸運動(dòng)，如何滿(mǎn)足3D打印機對精度和速度的嚴格要求是一大挑戰。每種應用都有不同的需求。例如，工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)對功率等級要求很高，而火車(chē)等軌道交通工具對模塊的要求更高，這使電機控制設計變得非常重要和復雜。

ST在此的優(yōu)勢是有獨特的技術(shù)，可提供系統封裝（SiP），且ST有各種封裝可供選擇，可以滿(mǎn)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(hù)產(chǎn)品的上市時(shí)間。ST的一個(gè)特色是，即使只有2個(gè)中國小客戶(hù)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)預測性維護

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

①預測性維護，即預測故障，ST已有了解決方案。例如，電機可能在2周內停機，因此，你將有2周的時(shí)間安排生產(chǎn)計劃，停止生產(chǎn)線(xiàn)運行，維修電機，成本要比突然停機低得多。如果訪(fǎng)問(wèn)ST的網(wǎng)站，就會(huì )發(fā)現有個(gè)BFA 001b1b評估板，這個(gè)解決方案目前已經(jīng)商用。由于有IO-link連接技術(shù)，板子能夠部署預測性維護解決方案。

②故障檢測功能，指在發(fā)生故障時(shí)，故障檢測技術(shù)可以確保生產(chǎn)連續性。ST正在開(kāi)發(fā)這項技術(shù)中。

5 ST的電機方案強在哪兒

據IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算，ST在家電電機IGBT與IPM（智能功率模塊）的份額大于10%；在對制造和過(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)的數據統計中，由ST智能電力解決方案驅動(dòng)的低壓電機超過(guò)10億臺，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(cháng)率預計為11.6%（如下圖）。

ST為何有強大的市場(chǎng)地位，主要源于以下特色。

1）打造了電機控制的生態(tài)系統

與一些電機驅動(dòng)芯片僅提供單點(diǎn)芯片不同，ST有全面的生態(tài)系統，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電機驅動(dòng)有兩種出色的技術(shù)： STDRIVE柵極驅動(dòng)器和STSPIN電機控制器。

2）注重IGBT的投資

IGBT 溝柵場(chǎng)截止技術(shù)是ST的最大的投資項目之一?！叭绻闳ナ袌?chǎng)調查，有1/5的空調、冰箱和洗衣機客戶(hù)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(cháng)，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的電壓區間。此外，ST的HB2系列IGBT技術(shù)讓工業(yè)空調和工業(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。對于IPM（智能電源模塊）——當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）。

對于高于5kW的電動(dòng)機有ACEPACK，也是有多種封裝（如下圖）。

3）靈活的電機控制器

明星產(chǎn)品是STSPIN32F0。該款產(chǎn)品有2個(gè)版本。①最高45V的低壓驅動(dòng)器，用于電池供電的解決方案，也可以用于設計某些電動(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)電壓區間。寬輸入電壓意味著(zhù)控制內部MCU有多種可行方法。單電阻和三電阻電流檢測意味著(zhù)可以在不同的拓撲內驅動(dòng)外部單相或三相電機。這個(gè)方案和基于STM32的方案有些不同，如果使用STM32，則需要標準組件和內部尺寸大于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，對于關(guān)注空間問(wèn)題的應用，例如機器人和無(wú)人機，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。