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MPS做一體化電機驅動方案有三絕招

作者:王瑩時間:2019-04-16來源:收藏

    美國MPS擁有一體化和全集成的方案。不久前,電子產品世界等媒體在上海訪問了MPS全球產品線的產品總監翟松先生。

本文引用地址:http://www.rylpcf.shop/article/201904/399509.htm

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    所謂全集成,就是把的電路部分整合在一起,變成一體化(如下圖左側),包括電機(例如無刷直流或者永磁同步)、控制芯片、功率級,再加上人性化的軟件。

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    另外,如果客戶本身就是做BLDC電機的,還可以直接采購MPS的控制模塊(如上圖右側),包括FOC的控制、磁性編碼器以及功率級,還包括通信的接口等,然后直接裝到現有的BLDC/同步電機里面,這樣的電機就會變成一個完整的一體化電機。
    據悉,MPS主要關注電壓200V、功率500W以下,且可以高度集成的電機產品。目前該公司展示了2種模塊,如上圖右側的57mm和42mm的產品,后續會推出更多的產品,以針對不同的尺寸的電機。

    1 實現“一體化”的三個硬核
    做電機的公司那么多,年輕的MPS有何過人之處?翟松總監稱,主要有三大優勢:半導體工藝、封裝工藝和磁編技術。
    公司成立于1997年,二十多年來,電源和電機產品涵蓋各個領域,總共超過2000種,每年會推出50~100種新品,根基是兩大核心技術——工藝和封裝。那么,MPS沒有自己的工廠,是如何實現其獨有的工藝和封裝呢?

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    在芯片制造方面,采用Fab-lite模式:不使用代工廠提供的制程,而是自己研發制程。好處是既能全部采用自己的制程,又不需要很高的投入。
    在封裝方面,MPS會采用外部的封裝廠,但是和其他公司不一樣的是,MPS所有的final test(最終測試)全部在自己的位于成都的工廠完成,以保證產品的品質。
    MPS于2012年推出了電機產品線,正式進軍電機市場。為了有“一招鮮”,2014年收購了世界上最先進的磁編碼器公司瑞士Sensima,希望以此在強手如林的電機市場“吃遍天”。
    1.1  工藝——獨特的DMOS技術
    MPS是如何將所有的電源系統集成在一個芯片上的呢?該公司有自己的制程。因為MPS做的是模擬和數字模擬結合的混合信號產品,采用的是BCD(Bipolar,CMOS,DMOS)工藝。其中的DMOS就是功率器件的工藝,它是MPS公司產品差異化的關鍵。現在最先進的是第五代——BCD5是2017年推出的(如下圖)。

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    1997年,MPS的創始人兼CEO(首席執行官)Michael Hsing先生擁有一種獨創的BCD工藝,因此在美國硅谷創立了MPS。這種技術可把功率器件和控制邏輯集成在一個芯片上。
    那么,MPS的BCD到底有什么獨到之處呢?這涉及到如何判斷BCD是否先進?通常有一個指標RdsA。眾所周知,Rds是源極到漏級之間的導通電阻,如果想要把電阻做得很低,就要把硅的面積做大;但是如果只是單純地靠把面積做大來降低導通電阻,會存在一些問題,首先是成本,其次是面積做大以后,開關損耗也會增加。為了衡量BCD工藝的好壞,業內有RdsA指標,即“導通電阻×面積”。
    MPS能在同樣的面積上,導通電阻做得比友商的低,即RdsA更低,表明MPS的工藝是先進的。實際上,從第一代開始,MPS就在RdsA方面領先業界,這也是MPS在業內不斷成長,處于不敗地位的關鍵。

    1.2  Mesh Connect?封裝工藝
    封裝工藝在集成電路里也是非常關鍵的,特別是對功率器件。
    通常的封裝工藝是采用打線的方式,如打金線或打銅線連到管腳,但是不管是打金線還是打銅線,都有一定的導通電阻,而且線會引起寄生電感,產生噪聲,從而影響開關的速度。
    為此,MPS在2011年左右推出了獨特工藝——Mesh Connect?(如下圖)。它很像BGA的工藝,但是把BGA芯片反過來,倒放在引線框(Lead frame)上,通過焊球直接連接,這樣可以省掉線的部分,優勢是不僅降低成本,還可以把導通電阻完全消除掉,也不再有寄生的電感影響開關速度。

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    如果采用同樣的3×3mm2封裝,使用“Mesh Connect?”工藝后,可以放更多的Die(晶片),且達到更低的導通電阻。
    MPS是在業界最先使用“Mesh Connect?”技術的,現在才有友商開始追趕,但是MPS的“Mesh Connect?”技術始終居于領先地位。

    1.3  位置傳感器的磁編
    MPS公司成立了22年,在歷史上只有一次并購,即2014收購了瑞士Sensima的公司。
    因為2012年MPS成立了電機產品線,開始正式進軍電機市場。為了獲得獨有技術,看中了規模不大的Sensima公司,因為該公司有世界頂級的磁性編碼器技術,該技術是瑞士理工大學的教授和其博士生一起開發的,現在目前在市面上也可以看到不同的公司的磁性編碼器,其技術最初都是從瑞士理工大學取得的License(許可證)。
    為何磁編很重要?因為一個伺服系統里,除了要有電機本身和power stage(功率級)以外,還需要編碼器來做位置和速度的檢測。目前大部分都是用光編。光編的好處是有非常高的精度,但是缺點是體積大,價格較貴,怕灰塵,例如如果室外灰塵很大(因為中國北方的風沙比較大),如果灰塵落到光編的光柵上面,阻擋住了光線,它的精度一下子就降低了,而磁編就不會存在這些問題。磁編體積小,價格便宜,而且不會受到灰塵的影響。 
    當然這并不意味著磁編可以完全取代光編。但是對于大部分中低端的應用,如果不需要非常高的定位精度,其實磁編是個更好的選擇。
    例如下圖,MPS的板子上都帶了,包括磁編也是放在這個板子上,客戶所要做的就是在電機的軸端加一塊磁鐵,這樣就可以感應到轉軸的位置,其他所有的編碼器、傳感器、功率級等都集成到IC里,就變成了一體化電機。而且這些附加的部分很小,跟通常的伺服電機比起來,體積非常小,不會影響到整個外形的尺寸。


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    2  MPS的產品系列
    具體地,MPS以功率器件/電源產品為主,主要有AC/DC、 DC/DC、電池管理、D類功放、LED背光,應用于汽車、工業、電腦、服務器等領域。
    在電機驅動以及位置傳感器相關的方面,即 “e-Motion”控制。是MPS非常重視和高投入的領域。

    目前MPS看好的電機驅動的目標應用領域很廣,有打印機、電動工具、電動車、風扇、醫療設備。
    提到電機驅動,就不得不提MPS的“e-Motion”。其實e-Motion”不是一款IC或產品,它是一個概念,包括全集成的硬件和人性化的軟件。
    眾所周知,對于馬達驅動來講,必不可少的幾個部分首先是電機,把電能轉換成動能,電機需要控制,因此就需要控制芯片,控制芯片可以是MCU,也可以是DSP或者是ASIC;另外還有Power stage(功率級),可以把直流電轉成電機所需要的電能,相當于一個功率放大的作用。

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    所謂的全集成,就是把這些全部整合在一起,變成一體化,包括電機(比如無刷直流或者永磁同步)、控制芯片、功率級,再加上人性化的軟件,這樣完整的一套方案就是“e-Motion”的概念。
    下圖右側的的電機看起來和普通電機并沒有什么差別,但是這里面其實已經包含了前文所述的控制芯片、位置傳感器和功率級(下圖左)。用戶所需要做的就是給電機供電(電源線)并接上數據線,它就可以按照用戶的意思運轉,控制角度、位置、轉速,甚至轉矩。而一般的電機是沒有辦法做到的。

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    3  總結
    一體化電機本身用起來很簡單,你只要連上電源線,有個通信的接口就可以用了。如果需要調整或設置參數的話,就要用到MPS的智能電機軟件GUI,通過一個通信接口的盒子連到電腦上,完全是用graphic來做,使用起來很方便。
   目前MPS智能馬達的產品,功率等級從40W到200W都有。對于模塊,同樣MPS也是有不同的功率等級和不同的尺寸。

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圖:MPS上海辦公室展示的各種電機及模塊產品 



關鍵詞: 電機 驅動

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