ST：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向高集成度、小體積、高性價(jià)比演進(jìn)

　　無人機(jī)、陪伴機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械手、3D打印機(jī)、智能門鎖、電動(dòng)牙刷……，電機(jī)的應(yīng)用種類和數(shù)量越來越多。同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的集成度會(huì)越來越高、體積越來越小、成本越來越低。近日，ST(意法半導(dǎo)體公司)亞太區(qū)智能電源、IPAD、保護(hù)器件部市場和應(yīng)用總監(jiān)David Lucchetti指出。他是在該公司STSPIN電機(jī)控制產(chǎn)品媒體交流會(huì)上表達(dá)此觀點(diǎn)的。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器趨勢

　　怎樣算是一個(gè)好的電機(jī)產(chǎn)品?主要滿足客戶的不同需求，有的客戶對(duì)電壓看重，例如要低至1.5V的電壓；有的對(duì)體積或散熱等看重;有的重視精度，例如256微步步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合主要是位置傳感，可用于醫(yī)療注射泵，對(duì)藥劑量注射要非常準(zhǔn)確，但速度不一定快；有的重視性價(jià)比。ST的一些產(chǎn)品換成了新型的超微型QFN封裝，使封裝尺寸更小、價(jià)格更便宜，也相應(yīng)地提高了性價(jià)比。

　　為了實(shí)現(xiàn)高集成度，ST正在做SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)。主要有兩種途徑，如下圖。

　　具體地，第一種途徑是把驅(qū)動(dòng)器和功率芯片進(jìn)行封裝集成，即PowerSTEP系列。例如PowerSTEP01里面有8個(gè)MOSFET，堪稱業(yè)界最先進(jìn)的產(chǎn)品，主要因?yàn)樾阅苤笜?biāo)高：85V，5~10A，封裝很薄(因此散熱好)。如下照片。

　　另一途徑是“驅(qū)動(dòng)器+STM32 MCU”，例如2016年11月推出的“STSPIN32F0系列”。優(yōu)勢之一是設(shè)計(jì)速度快，因有STM32F0 MCU；二是集成度高，簡化了設(shè)計(jì)，節(jié)省了BOM(物料清單)。照片如下圖。

　　那么，為何目前只有基于ARM Cortex-M0的集成產(chǎn)品(STSPIN32F0系列)，而沒有基于M3、M4的集成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品？因M3、M4針對(duì)更高端的應(yīng)用，但ST目前進(jìn)軍的中低端大批量市場目前還不需要更高端，例如電動(dòng)工具等，過去是8位MCU，現(xiàn)在升級(jí)到基于32位的M0控制，已非常進(jìn)步。在中低端市場，M0性價(jià)比比M4高，可滿足從有傳感到無(位置)傳感、再到SoC控制等的需要。當(dāng)然，后續(xù)會(huì)有集成M4的驅(qū)動(dòng)器系列推出。

　　那么，為何不進(jìn)一步提高集成度：把驅(qū)動(dòng)器、功率器件和MCU做成三位一體？因?yàn)閺氖袌鼋嵌?，加入MOSFET后功率選擇不夠靈活，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)受限。另外，從技術(shù)角度，驅(qū)動(dòng)器和MCU大部分是邏輯電路，而MOSFET是功率電路，把邏輯和功率部分融合，需要做設(shè)計(jì)的平衡。

　　在節(jié)省成本方面，盡管無刷直流電機(jī)(BLDC)很有優(yōu)勢，但是還要根據(jù)具體情況。例如消費(fèi)類機(jī)器人/陪伴機(jī)器人對(duì)成本敏感，通常采用直流有刷電機(jī)。掃地機(jī)器人也是直流有刷電機(jī)。因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)價(jià)格便宜，性價(jià)比高，壽命如果不要求一二十年，還是很劃算的。因此ST與客戶一起合作，推出了很多直流有刷產(chǎn)品，例如前幾天的2017年4月，ST發(fā)布了面向便攜式電池供電物聯(lián)網(wǎng)硬件的2.6A微型“有刷直流電機(jī)”驅(qū)動(dòng)器芯片STSPIN250。

　　ST的優(yōu)勢

　　ST做電機(jī)驅(qū)動(dòng)有30年的歷史，業(yè)界第一個(gè)“預(yù)驅(qū)動(dòng)+MOSFET”、“預(yù)驅(qū)動(dòng)+MCU單片產(chǎn)品就是ST推出的，而且這些集成的芯片(die)都是ST自家的，不是外購的，因此ST了解其設(shè)計(jì)訣竅(konw-how)，可以匹配得很好。

　　業(yè)界第一個(gè)BCD(Bipolar+CMOS+DMOS)是ST做出來的，難點(diǎn)是模擬與數(shù)字、功率電路做在一起。如今ST已是第8代BCD技術(shù)。

　　目前， STSPIN是全球銷量最大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品家族之一，有125種產(chǎn)品型號(hào)，從電池驅(qū)動(dòng)的小功率(5W，例如電動(dòng)牙刷用)，到100W的單片多功能產(chǎn)品，乃至SiP封裝的500W產(chǎn)品(如下圖)。封裝方面，有最小的QFN 3mmx3mm封裝。

　　STSPIN主要面向工業(yè)市場。和同業(yè)相比，ST的優(yōu)勢：1.產(chǎn)品在市場上的驗(yàn)證度。由于ST主要是做工業(yè)產(chǎn)品，多年下來積累了高可靠性的經(jīng)驗(yàn)。2.功率器件是自己的工藝，比在市場上買來再封裝的SiP產(chǎn)品更靠譜。3.M0 MCU有標(biāo)準(zhǔn)的庫，資源豐富。4.封裝做得好。

　　從生態(tài)系統(tǒng)角度看，有評(píng)估板，像搭積木一樣可以模擬出一個(gè)系統(tǒng)。ST還有針對(duì)一些應(yīng)用，例如3D打印機(jī)的完整的解決方案(如下照片)，可以從官網(wǎng)上免費(fèi)下載，只需簡單優(yōu)化即可。

　　部分明星產(chǎn)品

　　單片式多功能IC方面，2016年7月ST針對(duì)IoT推出三款產(chǎn)品，STSPIN220步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器針對(duì)那些對(duì)位置功率控制有要求的場合，定位分辨率達(dá)到每步256微步。STSPIN230堪稱三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中業(yè)界最小的，可簡化客戶設(shè)計(jì)，例如無人機(jī)云臺(tái)(如下照片)。STSPIN240是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適合小型的閥門控制。

　　照片：ST云臺(tái)萬向節(jié)控制方案，采用STSPIN230驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)(BLDC)，特點(diǎn)是功耗低，可用于無人機(jī)航拍。注：通常的視頻監(jiān)控/安防采用步進(jìn)電機(jī)。

　　2017年4月12日推出面向便攜式電池供電物聯(lián)網(wǎng)硬件的微型“有刷直流電機(jī)”驅(qū)動(dòng)器芯片STSPIN250，2.6A，面積3mmX3mm，集成一個(gè)功率MOSFET全橋和一個(gè)關(guān)斷時(shí)間固定的PWM電流控制器。

　　STSPIN高級(jí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有L6470、L6472與L6474

　　SiP芯片組方面，2016年11月，推出STSPIN32F0系列智能電機(jī)控制器，針對(duì)智能工業(yè)和高端消費(fèi)電子。

　　如何服務(wù)客戶?

　　生態(tài)鏈方面，ST面對(duì)的客戶主要是方案客戶，比較單一。因?yàn)榉桨缚蛻?含IDH)通常有一定的設(shè)計(jì)能力，ST能配合這些方案客戶/IDH(設(shè)計(jì)公司)。而方案客戶對(duì)接電機(jī)廠。

　　那么，算法方面如何幫到客戶？客戶主要有兩大類，第一類非常懂電機(jī)，會(huì)自己編程和算法;另一類客戶只知道用電機(jī)，但對(duì)具體的電機(jī)控制沒有概念，為此，L6470、L6472等把算法集成進(jìn)去了，客戶只要給SPI發(fā)命令即可控制。

　　談到市場特點(diǎn)，消費(fèi)類電子的特點(diǎn)是起得快、走得也快(即生命周期短)，例如前兩年很火的平衡車，因此很難預(yù)測其市場。

　　但馬達(dá)/電機(jī)市場總的特點(diǎn)是越來越大。一些應(yīng)用盡管很難區(qū)分是消費(fèi)類還是工業(yè)類，例如服務(wù)/陪伴機(jī)器人，轉(zhuǎn)軸越來越多，因此馬達(dá)的需求量越來越大。

　　展示亮點(diǎn)

　　展示中，筆者觀察有兩個(gè)特點(diǎn)：1.這么多電機(jī)在一起工作，聲音很輕，可見損耗小，效率高。另一個(gè)特點(diǎn)是：ST及代理商的產(chǎn)品同臺(tái)展示。ST重在展示大的應(yīng)用方向，代理商側(cè)重某個(gè)行業(yè)的具體方案，例如吸塵器。

照片 空調(diào)風(fēng)機(jī)演示版，基于STM32F0和IPM NANO空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)和吊扇的方案

　　照片：糖果機(jī)模型，基于STM32和X-Nucleo系列開發(fā)板

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