安森美半導體電機驅動(dòng)方案滿(mǎn)足家電應用的更高能效要求

　　隨著(zhù)消費者的節能環(huán)保觀(guān)念越來(lái)越強，對高能效家電產(chǎn)品的需求也越來(lái)越多。尤其在各國政府頒布新的白家電能效標準之后，家電行業(yè)的準入門(mén)檻大幅提高，提高家電產(chǎn)品能效的需求越來(lái)越迫切。如何設計高能效家電產(chǎn)品已經(jīng)成為家電廠(chǎng)商亟需解決的問(wèn)題。

　　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12V BLDC電機驅動(dòng)器、24V BLDC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。

　　圖1：用于家電的電機驅動(dòng)器/控制器電壓/電流范圍概覽。

　　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)。

　　圖2. 電冰箱中的電機應用

　　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600 V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)、STK531U369A-E(10A)和STK531U394A-E(15A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U342C-E(5A)。

　　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。

　　圖3：安森美半導體智能功率模塊(IPM)采用IMST將多種元器件封裝為模塊。

　　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LB1948MC和LV8548MC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，LB1948MC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。LV8548MC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。

　　圖4：安森美半導體用于電冰箱的電機驅動(dòng)及其它產(chǎn)品陣容。

　　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LB1948MC和LV8548MC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250 V，設計要求采用600 V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1.0 A的風(fēng)扇。較大的分體式空調則使用2.0 A風(fēng)扇。室外機使用3.0 A的風(fēng)扇。

　　圖5：空調中的電機應用。

　　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。