近年來，各國政府為倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛出臺新的家電能效標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)下消費(fèi)者在購買家電時(shí)，除了考慮價(jià)格因素，也會將產(chǎn)品是否省電作為一個(gè)重要的參考因素。在產(chǎn)品日趨同質(zhì)化、競爭越來越激烈的白家電市場，家電企業(yè)要想立于不敗之地，產(chǎn)品達(dá)到更高能效將是重要賣點(diǎn)。
電機(jī)是家電的核心組成部分：其中高檔電冰箱中使用的電機(jī)達(dá)5個(gè)或更多，用于阻尼器、風(fēng)扇、制冰機(jī)、壓縮機(jī)、氣流調(diào)節(jié)及冷卻流泵等；空調(diào)室內(nèi)機(jī)通常使用2個(gè)電機(jī)用于風(fēng)扇和百葉窗，室外機(jī)通常使用3個(gè)電機(jī)用于壓縮機(jī)、風(fēng)扇及閥；洗衣機(jī)要求采用電機(jī)來驅(qū)動筒、水泵以及各種泵；烘干機(jī)需要電機(jī)來驅(qū)動筒及鼓風(fēng)機(jī)。因此，在設(shè)計(jì)中采用高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機(jī)驅(qū)動/控制方案是設(shè)計(jì)出高能效家電產(chǎn)品的關(guān)鍵。本文將介紹安森美半導(dǎo)體幾款典型應(yīng)用于白家電產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動及控制方案。
家電應(yīng)用要求及設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
1. 減小體積
消費(fèi)者越來越青睞體積小巧的電冰箱的趨勢，導(dǎo)致工程師采用更小的電機(jī)以優(yōu)化占用空間。
2. 降低能耗
能耗問題是工程師們在家電應(yīng)用設(shè)計(jì)中的一大共同挑戰(zhàn)。例如，如果風(fēng)扇驅(qū)動器的電路板內(nèi)置，就會產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來把它冷卻。因此，工程師可能會同時(shí)要求高能效及具強(qiáng)力冷卻功能的電機(jī)。
3. 靜音驅(qū)動
實(shí)現(xiàn)靜音驅(qū)動是工程師的一大目標(biāo)，以減小家電產(chǎn)品中電機(jī)產(chǎn)生的惱人噪聲，為消費(fèi)者帶來舒適寧靜的使用體驗(yàn)。
4. 寬電壓/電流范圍
家電中的不同電機(jī)應(yīng)用對電壓及電流范圍有不同的要求。
此外，由于家電要求采用高壓電源來驅(qū)動，耐用性、安全性及可靠性也很重要。
用于白家電的典型的電機(jī)驅(qū)動器方案
安森美半導(dǎo)體是電機(jī)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵供應(yīng)商，提供寬廣陣容的高能效電機(jī)驅(qū)動/控制方案，支持最高電壓達(dá)600 V，最大電流達(dá)50 A，包括12 V無刷直流(BLDC)電機(jī)驅(qū)動器、24 V BLDC電機(jī)驅(qū)動器、3相BLDC電機(jī)驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達(dá)240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機(jī)驅(qū)動器，幫助工程師能設(shè)計(jì)出更高能效、更安靜工作、占位面積更少的方案用于對電機(jī)的電壓范圍及電流范圍有不同要求的冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)及烘干機(jī)等白家電應(yīng)用。
圖1. 用于白家電的電機(jī)驅(qū)動器/控制器電壓/電流范圍概覽
1. IPM及二合一IPM
安森美半導(dǎo)體提供的3相電機(jī)控制的智能功率模塊(IPM)，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A)、STK531U369A-E (10A) 和STK531U394A-E (15 A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A) 和 STK534U342C-E(5A)，能滿足高擊穿電壓、高能效及高可靠性的要求，是用于驅(qū)動電冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)、空調(diào)風(fēng)扇電機(jī)及洗衣機(jī)筒驅(qū)動的理想選擇。
這些IPM使用安森美半導(dǎo)體獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST?)，采用低熱阻、高導(dǎo)熱的絕緣材料將銅箔和金屬基板即鋁基板壓合在一起，金屬的高熱傳導(dǎo)率使功率輸出電路、控制電路及模塊外圍電路能夠貼裝在同一基板上。此技術(shù)具有7大技術(shù)優(yōu)勢，包括：易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本、內(nèi)置外圍電路簡化PCB設(shè)計(jì)以縮短終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實(shí)現(xiàn)更可靠的散熱保護(hù)、噪聲抑制、降低浪涌電壓、提升能效和降低能耗，以及單列直插式 (SIP) 型封裝優(yōu)勢。
圖2. 安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)采用IMST將多種元器件封裝為模塊
因應(yīng)減小尺寸并提升能效的趨勢，安森美半導(dǎo)體IPM已發(fā)展至下一代高能效二合一IPM STK57F-3xx系列用于變頻家電。該系列IPM將升壓PFC轉(zhuǎn)換器和3相變頻器合二為一，不僅提供更高能效電路，還進(jìn)一步減少元器件數(shù)量，節(jié)省PCB占用空間，縮短開發(fā)時(shí)間，降低組裝成本，加快上市進(jìn)程。值得一提的是，IPM STK57FU391A-E獲得今日電子與21ic.com聯(lián)合舉辦的2014年度TOP-10電源產(chǎn)品獎(jiǎng)中的“Top 10電源產(chǎn)品獎(jiǎng)”及“技術(shù)突破獎(jiǎng)”，并再獲得EDN China《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》2015年度創(chuàng)新獎(jiǎng)中功率與驅(qū)動器件類最佳產(chǎn)品獎(jiǎng)，彰顯安森美半導(dǎo)體高能效創(chuàng)新的實(shí)力。
圖3. 安森美半導(dǎo)體用于變頻空調(diào)的二合一IPM
2. H橋電機(jī)驅(qū)動器
安森美半導(dǎo)體的LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC用于驅(qū)動阻尼器(電冰箱及洗衣機(jī)、烘干機(jī)內(nèi))。這些器件提供高擊穿電壓、高能效、低待機(jī)電流、變速控制及易于設(shè)計(jì)等關(guān)鍵特性。其中，LB1948MC和LV8548MC還可用于驅(qū)動電冰箱自動制冰機(jī)電機(jī)。LB1948MC是2通道、12 V低飽和電壓驅(qū)動、正向/反向電機(jī)驅(qū)動器，采用強(qiáng)固的擊穿設(shè)計(jì)，在待機(jī)模式下的電流消耗為零。LV8548MC是單低導(dǎo)通阻抗DMOS驅(qū)動器(導(dǎo)通阻抗僅為1 Ω)，勵(lì)磁模式包括滿步及半步等，提供不同的步幅調(diào)節(jié)；待機(jī)模式下的電流消耗同樣為零，提供低能耗工作。
3. 無傳感器型電機(jī)驅(qū)動器
對于電冰箱而言，通過風(fēng)機(jī)通風(fēng)來排熱是重要功能，要求電機(jī)驅(qū)動器具有安靜驅(qū)動、高能效及變速控制等特性。安森美半導(dǎo)體提供應(yīng)用于電冰箱通風(fēng)的創(chuàng)新、高能效的三相驅(qū)動器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等。這些驅(qū)動器能夠提供低能耗及低振動的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機(jī)尺寸。軟啟動功能使它們能夠穩(wěn)定地安靜啟動。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)極為安靜的電機(jī)工作。此外，鎖保護(hù)功能用于在電機(jī)異常停轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉輸出，因而保護(hù)驅(qū)動器。
4. 預(yù)驅(qū)動器IC + 混合IC
空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)都會用到直流風(fēng)扇，需要驅(qū)動3相BLDC風(fēng)扇電機(jī)。風(fēng)扇電機(jī)的驅(qū)動電壓可達(dá)250 V，設(shè)計(jì)要求采用600 V器件，以確保足夠強(qiáng)固，能夠處理噪聲尖峰問題。其中，室內(nèi)機(jī)使用1.0 A的風(fēng)扇。較大的分體式空調(diào)則使用2.0 A風(fēng)扇。室外機(jī)使用3.0 A的風(fēng)扇。
安森美半導(dǎo)體為直流風(fēng)扇電機(jī)提供由LV8136V預(yù)驅(qū)動器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相風(fēng)扇電機(jī)混合集成電路(HIC)構(gòu)成的驅(qū)動方案。此方案提供高壓、大電流(1 A/2 A/3 A)驅(qū)動，能效高，工作安靜，元器件數(shù)量少，集成多種保護(hù)特性，提供更高可靠性。省電模式還使待機(jī)電流幾乎為零。
由于洗衣及烘干機(jī)中的鼓風(fēng)機(jī)跟空調(diào)應(yīng)用類似，也可采用LV8136V以提供優(yōu)化的能效及低噪聲。
1. 直接PWM控制三相BLDC電機(jī)驅(qū)動器
安森美半導(dǎo)體的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，用于要求高能效及變速驅(qū)動的洗衣機(jī)供水及排水泵的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。這些器件的PWM占空比能夠采用IC輸入來控制，適合從9.5 V至30 V的寬工作電壓范圍。
結(jié)語：
高能效是符合各項(xiàng)環(huán)保法規(guī)及能效標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵，也是白家電應(yīng)用的趨勢。針對具體應(yīng)用采用安森美半導(dǎo)體一系列高能效電機(jī)驅(qū)動/控制方案（圖4），可設(shè)計(jì)出滿足更小體積、更低能耗、更安靜工作的贏取市場的節(jié)能型白家電。
圖4. 安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于白家電的高能效電機(jī)驅(qū)動方案概覽