電機控制應用不斷迭代，ST平臺化方案滿足碎片化需求

隨著空調(diào)、冰箱等白色家電更嚴苛的節(jié)能、質(zhì)量標準出臺，需要更加綠色或小體積的解決方案。在機器人、無人機、電動工具等工業(yè)領(lǐng)域，也需要更加高效、節(jié)能的電機，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更提出了具有預測性維護、故障診斷等功能的電機解決方案。 

近日， ST亞太區(qū)功率分立器件和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營銷及應用副總裁Francesco MUGGERI向電子產(chǎn)品世界記者介紹了這方面的新趨勢，及ST向中國主推的新產(chǎn)品。

ST亞太區(qū)功率分立器件和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營銷及應用副總裁Francesco MUGGERI

1 空調(diào)解決方案

我國從7月1日起強制實施極其嚴格的新空調(diào)系統(tǒng)能效標準（A+）。 這意味著在售產(chǎn)品都必須使用新標準解決方案，所有舊空調(diào)系統(tǒng)需要在一定時間內(nèi)更換相關(guān)部件，如逆變器或變頻端電路。

ST的解決方案可以完全滿足上述需求，其優(yōu)勢是：傳統(tǒng)半導體解決方案換成新的高能效解決方案，成本在幾美元到10美元，這意味著每個方案的總體成本大約在提升10~12美元。另外，ST有一個覆蓋從15kW到7kW的空調(diào)系統(tǒng)應用平臺（如下圖），該平臺可通過用戶界面提供固件更新和cube SDK開發(fā)工具，支持壓縮機電機定制；提供所有STM32、電源模塊、分立和模擬器件、電路板。

具體地，ST可以有7種架構(gòu)支持同一種解決方案。例如針對1.5 kW和2 kW的空調(diào)方案，ST提供4種不同的架構(gòu)，不同的客戶可以選擇適合自己的方案。

①完全分立的解決方案，ST可以讓客戶以他喜歡的方式設(shè)計板子布局，這是較好又方便的方法。

②采用ACEPACK模塊，可用3個模塊處理高功率，這樣可以通過緊湊型解決方案提供更高的功率。

③如果空間有限，還可以使用雙模塊MOSFET解決方案，例如，STM32F3或G4搭配SLLIMM IPM系列智能電源模塊（如下圖）。

④ST還設(shè)計了另一種架構(gòu)，在STM32內(nèi)核外圍集成驅(qū)動電路以及該分立解決方案，這是針對空間稍小應用優(yōu)化的解決方案。

值得一提的是，ST還有1.5kW和2kW雙電機驅(qū)動器方案（如下圖），1個MCU能夠同時驅(qū)動2臺電機，非常經(jīng)濟劃算。

2 冰箱解決方案

如今冰箱能效標準已經(jīng)提高到A類以上，對振動和能耗提出了更高的要求；另外空間使用率在冰箱中也很重要，合理的空間設(shè)計是盡可能地將所有冰箱空間分配給食物存放，而不是電子元器件。

ST的IGBT解決方案和STM32生態(tài)系統(tǒng)非常適合設(shè)計新一代的冰箱。

3高度碎片化的電機市場需要豐富、靈活的解決方案

電機驅(qū)動市場非常龐大且碎片化。

在家電領(lǐng)域，除了空調(diào)和冰箱，洗衣機、空氣干燥器和洗碗機等解決方案。除了家電外，餐廳、工廠、食品生產(chǎn)商和食品加工廠也有電器設(shè)備。以空調(diào)類為例，HAVC（暖通空調(diào)）相關(guān)行業(yè)有暖風、通風和空調(diào)，還有地板溫度、空氣質(zhì)量、濕度等。每種應用有不同的需求。凡是涉及電機控制，ST就有相應的解決方案，即使沒有演示板，也有開發(fā)工具包。

     ST還進軍電動自行車、專業(yè)無人機、吸塵器、園藝工具、專業(yè)電動工具和工廠自動化（機器人）電機控制領(lǐng)域。例如，機器人需要高水平的運算能力，因為需要通過高水平的數(shù)據(jù)計算來獲得極高的控制精度。因此，計算能力是自動化的基本要求。醫(yī)療設(shè)備也有控制精度要求。3D電機控制是如何控制3軸運動，如何滿足3D打印機對精度和速度的嚴格要求是一大挑戰(zhàn)。每種應用都有不同的需求。例如，工廠生產(chǎn)線對功率等級要求很高，而火車等軌道交通工具對模塊的要求更高，這使電機控制設(shè)計變得非常重要和復雜。

ST在此的優(yōu)勢是有獨特的技術(shù)，可提供系統(tǒng)封裝（SiP），且ST有各種封裝可供選擇，可以滿足這個高度碎片化市場的需求。此外，人們也需要的更大的靈活性來加快客戶產(chǎn)品的上市時間。ST的一個特色是，即使只有2個中國小客戶要求ST提供解決方案，ST也可以與全球合作伙伴合力開發(fā)這個解決方案，優(yōu)化產(chǎn)品成本。

4 工業(yè)預測性維護

電機的故障診斷是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一項重點，ST已經(jīng)解決和正在解決的問題有2個方面。

①預測性維護，即預測故障，ST已有了解決方案。例如，電機可能在2周內(nèi)停機，因此，你將有2周的時間安排生產(chǎn)計劃，停止生產(chǎn)線運行，維修電機，成本要比突然停機低得多。如果訪問ST的網(wǎng)站，就會發(fā)現(xiàn)有個BFA 001b1b評估板，這個解決方案目前已經(jīng)商用。由于有IO-link連接技術(shù)，板子能夠部署預測性維護解決方案。

②故障檢測功能，指在發(fā)生故障時，故障檢測技術(shù)可以確保生產(chǎn)連續(xù)性。ST正在開發(fā)這項技術(shù)中。

5 ST的電機方案強在哪兒

據(jù)IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算，ST在家電電機IGBT與IPM（智能功率模塊）的份額大于10%；在對制造和過程自動化、電力與能源、樓宇和住宅控制、以及其他行業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，由ST智能電力解決方案驅(qū)動的低壓電機超過10億臺，占11%的市場份額。

ST在亞洲的可服務市場（SAM）2019年約為20億美元，從2019—2023年的年均增長率預計為11.6%（如下圖）。

ST為何有強大的市場地位，主要源于以下特色。

1）打造了電機控制的生態(tài)系統(tǒng)

與一些電機驅(qū)動芯片僅提供單點芯片不同，ST有全面的生態(tài)系統(tǒng)，有廣泛的產(chǎn)品組合（如下圖），其中產(chǎn)品超過130種，銷售超過15億片。ST在IGBT和高壓 MOSFET的市場排名靠前，在低壓功率器件方面也是如此。此外，ST還有通用MCU、安全MCU和EEPROM等產(chǎn)品。

ST電機驅(qū)動有兩種出色的技術(shù)： STDRIVE柵極驅(qū)動器和STSPIN電機控制器。

2）注重IGBT的投資

IGBT 溝柵場截止技術(shù)是ST的最大的投資項目之一?！叭绻闳ナ袌稣{(diào)查，有1/5的空調(diào)、冰箱和洗衣機客戶稱在用ST的IGBT?！?MUGGERI先生稱。ST在IGBT技術(shù)等方面的投資在支持ST的業(yè)務增長，ST已經(jīng)形成了差異化的產(chǎn)品組合，覆蓋從600 V、1200 V到1700 V的電壓區(qū)間。此外，ST的HB2系列IGBT技術(shù)讓工業(yè)空調(diào)和工業(yè)冰箱能夠處理更高的電流。

ST的封裝是電源模塊封裝的一張王牌。對于IPM（智能電源模塊）——當想要縮小方案尺寸并限制空間體積時，可以使用多種SLLIMM封裝，包括SLLIMM nano SMD系列、SLLIMM nano、SLLIMM nano第二代、SLLIMM第二代的產(chǎn)品組合（如下圖）。

對于高于5kW的電動機有ACEPACK，也是有多種封裝（如下圖）。

3）靈活的電機控制器

明星產(chǎn)品是STSPIN32F0。該款產(chǎn)品有2個版本。①最高45V的低壓驅(qū)動器，用于電池供電的解決方案，也可以用于設(shè)計某些電動工具或小型家電。②最高電壓600V的高壓產(chǎn)品，最高電壓250V的中壓產(chǎn)品。

這些板子覆蓋多個電壓區(qū)間。寬輸入電壓意味著控制內(nèi)部MCU有多種可行方法。單電阻和三電阻電流檢測意味著可以在不同的拓撲內(nèi)驅(qū)動外部單相或三相電機。這個方案和基于STM32的方案有些不同，如果使用STM32，則需要標準組件和內(nèi)部尺寸大于38 mm38 mm的電路板，而這個方案可能只需要17 mm17 mm的面積，面積減少約80％。因此，對于關(guān)注空間問題的應用，例如機器人和無人機，該方案是非常理想的。如果需要減小冰箱等大家電的尺寸，這個方案也可以提供非常靈活和優(yōu)化的性能。

4）豐富的傳感器

通過提高運動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器和語音控制/麥克風的感測水平和智能水平，ST一直在不斷地推動家電和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。