安森美半導體應用于家電的高能效電機驅動(dòng)方案

　　隨著(zhù)能源成本上升及消費者對家電節能意識增強，世界各國政府紛紛出臺更加嚴格的能效標準或高能效激勵措施以提升白家電能效。如美國能源部建議實(shí)施新的能效標準以減少電冰箱、空調和洗衣機的能源使用，某些情況下強制要求能效提升多達35%。日本的能效“領(lǐng)跑者”(TopRunner)項目自實(shí)施以來(lái)，也大幅提升了空調及電冰箱的能效要求。

　　家電中通常要使用多種不同的電機來(lái)控制不同功能。電機包括交流(AC)電機和直流(DC)電機。其中DC電機包括有刷直流電機和無(wú)刷直流(BLDC)電機。BLDC電機分旋轉電機和步進(jìn)電機，具有顯著(zhù)的節能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性，廣泛應用于電冰箱、空調及洗衣機等家電應用。

　　設計人員要設計高能效的家電產(chǎn)品，就需要在設計中選擇高能效的電源轉換及電機驅動(dòng)/控制方案。安森美半導體積推動(dòng)高能效創(chuàng )新，提供寬廣陣容的產(chǎn)品及方案。本文將分析家電中的電機應用，并介紹安森美半導體應用于典型家電產(chǎn)品的電機驅動(dòng)及控制方案。

　　家電應用要求及設計挑戰

　　針對家電中的不同電機應用對電壓及電流范圍的不同要求，安森美半導體提供寬廣陣容的高能效電機驅動(dòng)/控制方案，支持最高電壓達600V，最大電流達50A。這些電機驅動(dòng)器包括4種，分別是12VBLDC電機驅動(dòng)器、24VBLDC電機驅動(dòng)器、3相BLDC驅動(dòng)器控制器(驅動(dòng)電壓達240V)及600V或更高電壓BLDC電機驅動(dòng)器。

　　除了要匹配不同的電壓/電流要求，工程師在家電應用設計的另一共同挑戰是能耗問(wèn)題。例如，如果風(fēng)扇驅動(dòng)器的電路板內置，就會(huì )產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來(lái)把它冷卻。因此，工程師可能會(huì )同時(shí)要求高能效及具強力冷卻功能的電機。

　　此外，用戶(hù)要求家電產(chǎn)品減小電機產(chǎn)生的惱人噪聲，希望有舒適寧請靜的使用體驗。因此，工程師要選擇產(chǎn)生更低噪聲的電機。有些家電如電冰箱，由于用戶(hù)的居住空間有限，他們會(huì )青睞體積小巧的電冰箱。這趨勢導致工程師采用更小的電機以?xún)?yōu)化占用空間。由于家電要求采用高壓電源來(lái)驅動(dòng)，耐用性、安全性及可靠性很重要。

　　用于典型家電應用的電機驅動(dòng)器方案

　　1.電冰箱

　　據統計，高檔電冰箱中使用的電機最多，可能達5個(gè)或更多，典型應用包括阻尼器、風(fēng)扇、制冰機、壓縮機、氣流調節及冷卻流泵等。最基礎功能的電冰箱也有壓縮電機和冷卻流泵。較高端的產(chǎn)品使用風(fēng)扇及阻尼器，利用電機進(jìn)行氣流調節。制冰機可能使用2個(gè)電機，一個(gè)用于出冰，另一個(gè)用于清空制冰托盤(pán)。

　　1)壓縮機驅動(dòng)

　　所有的電冰箱都有壓縮機。最新的壓縮機使用工作電壓為600V的BLDC電機設計，要求電機驅動(dòng)器具有高擊穿電壓、高能效及高可靠性。針對壓縮機電機驅動(dòng)應用，建議使用安森美半導體用于3相電機控制的智能功率模塊(IPM)，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10A)和STK531U3x2x-E(5A到10A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A至10A)。

　　這些IPM使用安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST?)，在鋁板也就是在金屬基板上搭建電子電路，使多種元件能夠封裝在同一個(gè)模塊IC中，包括電阻和電容等分立無(wú)源元件、二極管和晶體管等分立有源元件，以及更復雜的IC或專(zhuān)用集成電路(ASIC)，如門(mén)極驅動(dòng)器、數字信號處理器(DSP)、邏輯元件等。IMST也能使功率輸出電路、控制電路及其外圍電路貼裝在相同基板上。這些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件實(shí)現的大電流設計相比，能幫助大幅減少元件數量，減小電路板占用空間，降低系統總成本，減少散熱及提升可靠性。

　　2)自動(dòng)制冰機驅動(dòng)

　　電冰箱自動(dòng)制冰機使用有刷電機，一項功能是開(kāi)啟和關(guān)閉用于填充托盤(pán)的供應閥，另一項功能是一旦水結冰就翻轉托盤(pán)。這兩個(gè)功能都可以使用H橋電機驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現。安森美半導體提供用于自動(dòng)制冰機電機驅動(dòng)的器件包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效和變速控制等關(guān)鍵特性。其中，LB1948M是2通道、12V低飽和電壓驅動(dòng)、正向/反向電機驅動(dòng)器，采用強固的擊穿設計，在待機模式下的電流消耗為零。LV8548M是單低導通阻抗DMOS驅動(dòng)器，勵磁模式包括滿(mǎn)步及半步等，提供不同的步幅調節;這器件的導通阻抗僅為1Ω，幫助提升能效;待機模式下的電流消耗同樣為零，提供低能耗工作。

　　3)通風(fēng)電機

　　對于電冰箱而言，通過(guò)風(fēng)機通風(fēng)來(lái)排熱是重要功能，要求電機驅動(dòng)器具有安靜驅動(dòng)、高能效及變速控制等特性。安森美半導體提供應用于電冰箱通風(fēng)的創(chuàng )新、高能效的無(wú)傳感器型電機驅動(dòng)器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驅動(dòng)器。這些驅動(dòng)器能夠提供低能耗及低振動(dòng)的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機尺寸。軟啟動(dòng)功能使它們能夠穩定地安靜啟動(dòng)。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開(kāi)關(guān)功能實(shí)現極為安靜的電機工作。此外，鎖保護功能用于在電機異常停轉時(shí)關(guān)閉輸出，因而保護驅動(dòng)器。

　　4)阻尼器

　　阻尼器用于起緩沖作用，當作用點(diǎn)運動(dòng)很慢時(shí)，幾乎沒(méi)有阻力，而在作用點(diǎn)運動(dòng)較快時(shí)阻力就明顯增大，廣泛用于電冰箱和洗衣機等應用。安森美半導體用于電冰箱阻尼器的電機驅動(dòng)器包括LB1948M和LV8548M等。這些器件提供高擊穿電壓、高能效、低待機電流及變速控制等關(guān)鍵特性。

　　2.空調

　　常見(jiàn)的房間空調包括室內機及室外機等不同組成部分?？照{室內機通常使用2個(gè)電機，其中1個(gè)用于風(fēng)扇，另一個(gè)用于百葉窗，以控制房間內的氣流;室外機通常使用3個(gè)電機，用于壓縮機、風(fēng)扇及閥。更高端型號還有輔助風(fēng)扇。

　　1)直流風(fēng)扇電機

　　室內機和室外機都會(huì )用到直流風(fēng)扇，需要驅動(dòng)3相BLDC風(fēng)扇電機。風(fēng)扇電機的驅動(dòng)電壓可達250V，設計要求采用600V器件，以確保足夠強固，能夠處理噪聲尖峰問(wèn)題。其中，室內機使用1.0A的風(fēng)扇。較大的分體式空調則使用2.0A風(fēng)扇。室外機使用3.0A的風(fēng)扇。

　　安森美半導體為直流風(fēng)扇電機提供由LV8136V預驅動(dòng)器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相風(fēng)扇電機混合集成電路(HIC)構成的驅動(dòng)方案。此方案提供高壓、大電流(1A/2A/3A)驅動(dòng)，能效高，工作安靜，元器件數量少，集成多種保護特性，提供更高可靠性。省電模式還使待機電流幾乎為零。

　　2)用于壓縮電機和風(fēng)扇電機的IPM

　　安森美半導體為空調的壓縮電機及風(fēng)扇電機驅動(dòng)提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C47xxx系列的3相變頻器IPM，以及結合升壓功率因數校正(PFC)和3相變頻器的STK57F-3xx系列二合一IPM產(chǎn)品，提供多種應用優(yōu)勢。以STK57F-3xx系列IPM產(chǎn)品為例，由于將PFC和3相變頻器合二為一，不僅提供高能效電路，還大幅減少元器件數量，節省PCB占用空間，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低組裝成本，加快上市進(jìn)程。

　　3.洗衣機及烘干機

　　洗衣機要求采用電機來(lái)驅動(dòng)筒、水泵以及各種泵，烘干機需要電機來(lái)驅動(dòng)筒及鼓風(fēng)機。

　　1)筒驅動(dòng)

　　在洗衣機內部，筒驅動(dòng)器是最大的電機，通常電流在10A范圍。安森美半導體用于3相BLDC電機驅動(dòng)器的IPM是用于筒驅動(dòng)的最先進(jìn)產(chǎn)品系列，符合高能效、安靜驅動(dòng)、極佳散熱、強固及可靠工作等要求。這些IPM包括單分流電阻型的STK551U362A-E(10A)和STK531U3x2x-E(5A至10A)以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U3x2x-E(5A到10A)。

　　2)供水及排水泵

　　供水及排水泵要求高能效及變速驅動(dòng)等關(guān)鍵特性。安森美半導體的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于這類(lèi)三相BLDC電機驅動(dòng)應用。這些器件的PWM占空比能夠采用IC輸入來(lái)控制，適合從9.5V至30V的寬工作電壓范圍。

　　3)阻尼器

　　洗衣及烘干機應用中，阻尼器上要有一個(gè)電機來(lái)控制烘干機的氣流。此阻尼器的關(guān)鍵要求跟電冰箱阻尼器相同，推薦使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效電機驅動(dòng)器IC。以L(fǎng)B1948MC為例，這器件易于設計，待機電流幾乎為零。

　　4)直流風(fēng)扇

　　洗衣及烘干機中的鼓風(fēng)機跟空調應用類(lèi)似，建議使用LV8136V。這是一款PWM系統預驅動(dòng)器IC，用于驅動(dòng)3相無(wú)刷直流電機。由于采用PWM驅動(dòng)，這IC提供優(yōu)化的能效及低噪聲。

　　總結：

　　安森美半導體積極推動(dòng)高能效創(chuàng )新，提供應用于家電的完整方案，包括電源、電機驅動(dòng)、用戶(hù)接口、通信、測量等。本文重點(diǎn)介紹了安森美半導體應用于電冰箱、空調、烘干及洗衣機等家電的電機驅動(dòng)及控制器以及高集成度的智能功率模塊(IPM)方案，幫助設計人員針對具體應用選擇適合的產(chǎn)品，設計出高能效、高可靠性及靜音工作的家電。