PAC®系列芯片在高速直流电机控制中的应用

Presentation on theme: "PAC®系列芯片在高速直流电机控制中的应用"— Presentation transcript:

1 PAC®系列芯片在高速直流电机控制中的应用

2 We Are Qorvo® 实现全球互联的创新射频解决方案提供商 在制造能力、产品领先度、工程经验以及客户关系方面具 有无可比拟的竞争优势
为全世界的领先客户提供丰富的新产品和技术路线图 全球拥有8,000名员工 上一财年营业收入31亿美元 纳斯达克代码：QRVO 移动 设备 网络 基础设施 国防和航天

3 Qorvo长期发展方向 利用技术领先优势以优化产品组合 基础设施 与国防产品 多元化发展 > 行业平均增长速率 移动 产品 产品线
增长点 市场方向 GaN 基础设施 与国防产品 多元化发展 > 行业平均增长速率 IoT 移动 产品 Content Expansion 快速的市场增长 资料来源:《工业报告和管理预估》

4 基于PAC®芯片的电机控制框图 Solution Description IC number Cost Discrete 7 Medium
Extra DC/DC, LDO, MCU, Gate Driver x3, OpAmp 7 Medium Integrated Power Module Extra DC/DC, LDO, MCU, IPM, OpAmp 5 High PAC Enabled Solution One PAC device 1 Low

5 基于Cortex-M平台以及复杂的电源/模拟外设
PAC®架构及差异化的特点 基于Cortex-M平台以及复杂的电源/模拟外设 高性能“all-in-one”的电源管理器 集成支持高达600V的开关电源控制器，可以配置为Flyback、高压Buck或SEPIC拓 扑，集成多路线性稳压器用于芯片内部供电； 18uA的超低待机功耗； 灵活多级别的电源和温度监控。 马达控制专用的栅极预驱动器 集成高至2A驱动能力的高低侧栅极驱动器，可以灵活配置的传输延迟和故障 检测。 专有的可配置模拟前端 集成高性能的3路差分PGA和4路单端PGA用于电压电流采样。 用于Sensorless BLDC过零点检测的专用相位比较器，简化外部电路和算法 设计。 多达10个保护比较器，可实现窗口电流检测和保护，同时与PWM预驱动器 联动，如有过流故障可迅速切断输出。 部分产品支持cycle-by-cycle的电流限制，可以实现限流或功率限制等功 能。 高集成度可满足驱动器小尺寸、低成本以及高性能的要求 集成马达控制所需外围分立器件，比如，DCDC、运放、IGBT/MOSFET预驱 动器、最大限度的减少外部器件个数以优化BOM成本。

6 PAC5532A: 160V High-Performance BLDC
Garden Tools, EV, Industrial Robotics, Battery voltages 40-80V 150MHz Arm® Cortex®-M4F MCU 128kB FLASH, 32kB SRAM with ECC 2.5MSPS ADC with dual sequencer Power Manager 160V DC/DC Buck DC/DC controller 5V, 200mA DC/DC converter ADC VREF 2.5V/3.0V LDOs for Core, IO and Analog Driver Manager 3 high-side 180V/2A gate drivers 3 low-side 20V/2A gate drivers Shut-down protection USART, CAN, I2C Serial Communications, QEP Decoder Signal Manager 3 Differential PGA for phase current 4 Single-Ended PGA Protection Comparators Low-power total hibernate Push-button or timer wakeup Applications High performance garden tools High performance E-Bike High performance telecom fans Industrial robotics High-performance 40V-80V Battery-powered

7 PAC® 家族路线图 Arm® Cortex®-M0 70V 160V 600V 48V Cortex®-M4F 50MHz
32kB FLASH 8kB SRAM 10b 1MSPS ADC 70V 160V 600V 1.5A Gate Drive 70V Buck/SEPIC DC/DC 6x6 48L QFN 48V PAC5532 2A Gate Drive 160V Buck DC/DC 8x8 51L QFN PAC5222 44V Buck/SEPIC DC/DC Cortex®-M4F 150MHz 128kB FLASH 32kB SRAM 12b 1MSPS ADC 1A Gate Drive PAC5223 PAC5225 PAC5232 600V Flyback DC/DC 0.5/0.25A Gate Drive 10x10 57L QFN PAC5253 10x10 43L QFN PAC5255 PAC5256 600V Buck DC/DC 10x10 52L QFN 600V Buck DC/DC 0.5/0.25A Gate Drive 10x10 52L QFN PAC5556 1.5A Gate Drive 70V Buck/SEPIC DC/DC 8x8 64L QFN PAC5524 PAC5250 PAC5250

8 PAC®设计资源 MCU SDK 硬件资料 IDE/Programmer 马达控制固件 第三方支持 ARM CMSIS Libary
Peripheral Firmware Example Projects ActiveSafe IEC60730 Class B Safety Libraries ActiveFlash Field Update Bootloader 硬件资料 Motor Control EVK Application Expertise Design IDE/Programmer IAR/Keil/CooCox/Eclipse Jlink/Co-link 马达控制固件 Sensored/Sensorless BLDC Sensored/Sensorless FOC PC GUI for Debugging 第三方支持 Gang Programmer Advanced Algorithm and Support Turnkey Solution

9 PAC® 目标应用 Vacuum and Robots Ceiling/Floor Fans Range Hood Hand Dryer
Hair Dryer Server/Telecom Fan Vacuum and Robots Drones/RC Vehicles e-Bike/e-Scooter/e-Skateboard Power Tools Garden tool Refrigerator & compressor sub-sys Cloth Washer Water and Medical Pumps Motor with integrated control Automotive Air conditioners

10 高速直流无刷电机控制设计要求 设计要求: 220V/110V交流供电，或6/8/10串电池供电；
吸尘器 除螨仪 吹风筒 设计要求: 220V/110V交流供电，或6/8/10串电池供电； 风量大，要求超高转速（8万RPM到12万RPM）； 快速启动，需要在要求时间内达到预定转速/功率； 低噪音； 高效率，延长单次充电使用时间； 紧凑的PCB尺寸； BOM成本尽量低。

11 高速直流无刷电机控制技术点 超高转速要求 恒功率控制及保护 快速启动 低成本 · MCU运算能力、ADC、PWM都有要求；
· 优化FOC算法，减少运算时间； · 准确的功率计算和控制方法； · 完善的保护措施； · 对电源和温度进行监控和故障保护； 快速启动 低成本 · 优化电机启动算法，采用新的启动方式，比如高频注入等； · 尽量小的PCB面积，器件BOM成本低； · 低的生产失效率和返修率； · 采用单电阻做Sensorless FOC控制。

12 基于PAC®的马达控制系统框图 低压电池供电 110V/220V交流供电

13 参考方案规格介绍 49mm Parameter Specifications 输入电压 16V – 40V 输入功率 90W – 400W
机械转速范围 50kRPM – 120kRPM 驱动方式 Sensorless BLDC/Sensoless FOC 电流采样 三电阻采样/单电阻采样 启动 三段式/高频注入 控制方式 转矩控制/转速控制/恒功率控制 自动弱磁 保护措施: 过压、欠压、过流、堵转、 开路保护、内部电源监控及保护、 Cycle-By-Cycle 限流、过温 散热 自然散热 PCB尺寸 49x49 mm, 双面板 49mm

14 单电阻相电流重构 优点: 缺点: 省去2个取样电阻，节省成本； 额外的代码去实现电流重构，占用一定的MCU执行时间和系统资源；
采样母线电流，容易实现准确的恒功率控制； 结合PAC内部的窗口比较器和DAC，实现健壮的系统保护。 缺点: 额外的代码去实现电流重构，占用一定的MCU执行时间和系统资源； 有重构电流失真的情况，需要算法去实现PWM补偿或者移相。

15 方案测试波形 启动时间短，500ms实现从PAC上电到全功率运行。 最高转速12万RPM

16 方案测试数据 在电池放电周期内（母线电压变化），驱动器功率恒定，波动在1W以内。 在不同口径下（负载变化），驱动器功率控制稳定。

17 基于PAC®的驱动方案优势总结 高系统集成度，更少物料数量和更小PCB面积； PAC休眠模式下功耗为18uA，实现系统更低的待机功耗;
完善的系统监控和保护； 单电阻电流重构方式实现更优化的BOM成本和稳定的恒功率控制; 针对风机类负载专门设计的观测器算法，实现更高转速和快速启动。

18 Thank You