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    MPS做一体化电机驱动方案有三绝招

    作者?#21644;?#33721;时间:2019-04-16来源:收藏

        美国MPS拥有一体化和全集成的方案。不久前,电子产品世界等媒体在上海访问了MPS全球产品线的产品总监翟?#19978;?#29983;。

    本文引用地址:http://www.9113521.com/article/201904/399509.htm

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        所谓全集成,就?#21069;?a class="contentlabel" href="http://www.9113521.com/news/listbylabel/label/电机">电机的电路部分整合在一起,变成一体化(如下图左侧),包括电机(例如无刷直流或者?#26469;?#21516;步)、控制芯片、功率级,再加上人性化的软件。

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        另外,如果客户本身就是做BLDC电机的,还可以直接采购MPS的控制模块(如上图右侧),包括FOC的控制、?#21028;?#32534;码器以及功率级,还包括通信的接口等,然后直接装到现有的BLDC/同步电机里面,这样的电机就会变成一个完整的一体化电机。
        据悉,MPS主要关注电压200V、功率500W以下,且可以高度集成的电机产品。目?#26696;?#20844;司展示了2种模块,如上图右侧的57mm和42mm的产品,后续会推出更多的产品,以针对不同的尺寸的电机。

        1 实现“一体化”的三个硬核
        做电机的公司那么多,年轻的MPS有何过人之处?翟松总监称,主要有三大优势:半导体工艺、封装工艺和磁编技术。
        公司成立于1997年,二十多年来,电源和电机产品涵盖各个领域,总共超过2000种,每年会推出50~100种新品,根基是两大核心技术——工艺和封装。那么,MPS没有自己的工厂,是如?#38382;迪制?#29420;有的工艺和封装呢?

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        在芯片制造方面,采用Fab-lite模式:不使用代工厂提供的制程,而是自己研发制程。?#20040;?#26159;既能全部采用自己的制程,又不需要很高的投入。
        在封装方面,MPS会采用外部的封装厂,但是和其他公司不一样的是,MPS所有的final test(最终测试)全部在自己的位于成都的工厂完成,以保证产品的品质。
        MPS于2012年推出了电机产品线,正式进军电机市场。为了有“一招鲜?#20445;?014年?#23637;?#20102;世界上最先进的磁编码器公司瑞士Sensima,希望?#28304;?#22312;强手如林的电机市场“吃遍天”。
        1.1  工艺——独特的DMOS技术
        MPS是如?#35859;?#25152;有的电源系统集成在一个芯片上的呢?该公司有自己的制程。因为MPS做的是模拟和数字模拟结合的混合信号产品,采用的是BCD(Bipolar,CMOS,DMOS)工艺。其中的DMOS就是功率器件的工艺,它是MPS公司产品差异化的关键。现在最先进的是第五代——BCD5是2017年推出的(如下图)。

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        1997年,MPS的创始人兼CEO(首席执行官)Michael Hsing先生拥有一种?#26469;?#30340;BCD工艺,因此在美国硅谷创立了MPS。这种技术可把功率器件和控制逻辑集成在一个芯片上。
        那么,MPS的BCD到底有什么独到之处呢?#31354;?#28041;及到如?#38395;?#26029;BCD是否先进?通常有一个指标RdsA。众所周知,Rds是源极到漏级之间的导通电阻,如果想要把电阻做得很低,就要把硅的面积做大;但是如果只是单纯地靠把面积做大来降低导通电阻,会存在一些问题,首先是成本,其?#38382;?#38754;积做大以后,开关损耗?#19981;?#22686;加。为了衡量BCD工艺的?#27809;擔的?#26377;RdsA指标,即“导通电阻×面积”。
        MPS能在同样的面积上,导通电阻做得比友商的低,即RdsA更低,表明MPS的工艺是先进的。?#23548;?#19978;,?#25317;?#19968;代开始,MPS就在RdsA方面领先业界,这也是MPS在?#30340;?#19981;断成长,处于不败地位的关键。

        1.2  Mesh Connect?封装工艺
        封装工艺在集成电路里也是非常关键的,特别是对功率器件。
        通常的封装工艺是采用打线的方式,如打金线或打铜线连到管脚,但是不管是打金线还是打铜线,都有一定的导通电阻,而且线会引起寄生电感,产生噪声,从而影响开关的速度。
        为此,MPS在2011年左右推出了独特工艺——Mesh Connect?(如下图)。它很像BGA的工艺,但?#21069;袯GA芯片反过来,倒放在引线框(Lead frame)上,通过焊球直接连接,这样可以省掉线的部分,优势是不仅降低成本,还可以把导通电阻完全消除掉,也不再有寄生的电感影响开关速度。

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        如果采用同样的3×3mm2封装,使用“Mesh Connect?”工艺后,可以放更多的Die(晶片),且达到更低的导通电阻。
        MPS是在业界最先使用“Mesh Connect?”技术的,现在才有友商开始追?#24076;?#20294;是MPS的“Mesh Connect?”技术始终居于领先地位。

        1.3  位置传感器的磁编
        MPS公司成立了22年,在历史上只有一次并?#28023;?#21363;2014?#23637;?#20102;瑞士Sensima的公司。
        因为2012年MPS成立了电机产品线,开始正式进军电机市场。为了获得独有技术,看中了规模不大的Sensima公司,因为该公司有世界顶级的?#21028;?#32534;码器技术,该技术是瑞士理工大学的教授和其博士生一起开发的,现在目前在市面上?#37096;?#20197;看到不同的公司的?#21028;?#32534;码器,其技术最初都是从瑞士理工大学取得的License(许可证)。
        为何磁编很重要?因为一个伺服系统里,除了要有电机本身和power stage(功率级)以外,还需要编码器来做位置和速度的检测。目前大部分都是用光编。光编的?#20040;?#26159;有非常高的精度,但是缺点是体积大,价格较贵,怕?#39029;荊?#20363;如如果室外?#39029;?#24456;大(因为中国北方的风沙比较大),如果?#39029;?#33853;到光编的光栅上面,阻挡住了光线,它的精度一下子就降低了,而磁编就不会存在这些问题。磁编体积小,价格便宜,而且不会受到?#39029;?#30340;影响。 
        当然这并不意味着磁编可以完全取代光编。但是对于大部分中?#25237;?#30340;应用,如果不需要非常高的定位精度,其实磁编是个更好的选择。
        例如下图,MPS的板子上都带了,包括磁编也是放在这个板子上,客户所要做的就是在电机的轴端加一块磁铁,这样就可以感应到转轴的位置,其他所有的编码器、传感器、功率级等都集成到IC里,就变成了一体化电机。而且这些附?#25317;?#37096;分很小,跟通常的伺服电机比起来,体积非常小,不会影响到整个外形的尺寸。


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        2  MPS的产品系列
        具体地,MPS以功率器件/电源产品为主,主要有AC/DC、 DC/DC、电池管理、D类功放、LED背光,应用于汽车、工业、电脑、服务器等领域。
        在电机驱动以及位置传感器相关的方面,即 “e-Motion”控制。是MPS非常重视和高投入的领域。

        目前MPS看好的电机驱动的目标应用领域很广,有打印机、电动工具、电动车、风?#21462;?#21307;疗设备。
        提到电机驱动,就不得不提MPS的“e-Motion”。其实e-Motion”不是一款IC或产品,它是一个概念,包括全集成的硬件和人性化的软件。
        众所周知,对于马达驱动来讲,必不可少的几个部分首先是电机,把电能转换成动能,电机需要控制,因此就需要控制芯片,控制芯片可以是MCU,?#37096;?#20197;是DSP或者是ASIC;另外还有Power stage(功率级),可以把直流电转成电机所需要的电能,相当于一个功率放大的作用。

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        所谓的全集成,就?#21069;?#36825;些全部整合在一起,变成一体化,包括电机(比如无刷直流或者?#26469;?#21516;步)、控制芯片、功率级,再加上人性化的软件,这样完整的一套方案就是“e-Motion”的概念。
        下图右侧的的电机看起来和普通电机并没有什么差别,但是这里面其实已经包含了前文所述的控制芯片、位置传感器和功率级(下图左)。用户所需要做的就是给电机供电(电源线)并接上数据线,它就可以按照用户的意思运转,控制?#23884;取?#20301;置、转速,甚至转矩。而一般的电机是没有办法做到的。

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        3  总结
        一体化电机本身用起来很简单,你只要连上电源线,有个通信的接口就可以用了。如果需要调整或设置?#38382;?#30340;话,就要用到MPS的智能电机软件GUI,通过一个通信接口的盒子连到电脑上,完全是用graphic来做,使用起来很方便。
       目前MPS智能马达的产品,功率等级从40W到200W都有。对于模块,同样MPS也是有不同的功率等级和不同的尺寸。

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    图:MPS上海办公室展示的各种电机及模块产品 



    关键词: 电机 驱动

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