满足家电高能效要求的电机驱动方案
随着人们环保意识的增强，高能效的家电产品成为人们争相追逐的对象。自各国政府拟定白家电能效标准之后，提高家电能效标准势在必行。如何设计出高能效的家电成为当今家电产业中的热点话题。本文提出了能够满足极爱的那高能效需求的电机驱动方案。
家电中通常要使用多种不同的电机来控制不同功能。电机包括交流(AC)电机和直流(DC)电机。其中DC电机包括有刷直流电机和无刷直流(BLDC)电机。BLDC电机分旋转电机和步进电机，具有显著的节能、低噪声和优异变速性能等特性，广泛应用于电冰箱、空调及洗衣机等家电应用。
设计人员要设计高能效的家电产品，就需要在设计中选择高能效的电源转换及电机驱动/控制方案。安森美半导体积推动高能效创新，提供宽广阵容的产品及方案。本文将分析家电中的电机应用，并介绍安森美半导体应用于典型家电产品的电机驱动及控制方案。
家电应用要求及设计挑战
针对家电中的不同电机应用对电压及电流范围的不同要求，安森美半导体提供宽广阵容的高能效电机驱动/控制方案，支持最高电压达600 V，最大电流达50 A。这些电机驱动器包括4种，分别是12 V BLDC电机驱动器、24 V BLDC电机驱动器、3相 BLDC驱动器控制器(驱动电压达240 V)及600 V或更高电压BLDC电机驱动器。
除了要匹配不同的电压/电流要求，工程师在家电应用设计的另一共同挑战是能耗问题。例如，如果风扇驱动器的电路板内置，就会产生热量及并要求消耗额外的电能来把它冷却。因此，工程师可能会同时要求高能效及具强力冷却功能的电机。
图1：用于家电的电机驱动器/控制器电压/电流范围概览。此外，用户要求家电产品减小电机产生的恼人噪声，希望有舒适宁静的使用体验。因此，工程师要选择产生更低噪声的电机。有些家电如电冰箱，由于用户的居住空间有限，他们会青睐体积小巧的电冰箱。这趋势导致工程师采用更小的电机以优化占用空间。由于家电要求采用高压电源来驱动，耐用性、安全性及可靠性很重要。
用于典型家电应用的电机驱动器方案
1.电冰箱
据统计，高档电冰箱中使用的电机最多，可能达5个或更多，典型应用包括阻尼器、风扇、制冰机、压缩机、气流调节及冷却流泵等。最基础功能的电冰箱也有压缩电机和冷却流泵。较高端的产品使用风扇及阻尼器，利用电机进行气流调节。制冰机可能使用2个电机，一个用于出冰，另一个用于清空制冰托盘。
图2.电冰箱中的电机应用1)压缩机驱动
所有的电冰箱都有压缩机。最新的压缩机使用工作电压为600 V的BLDC电机设计，要求电机驱动器具有高击穿电压、高能效及高可靠性。针对压缩机电机驱动应用，建议使用安森美半导体用于3相电机控制的智能功率模块(IPM)，如单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)、STK531U369A-E (10A) 和STK531U394A-E (15 A)，以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A) 和STK534U342C-E(5A)。
这些IPM使用安森美半导体独特的绝缘金属基板技术，在铝板也就是在金属基板上搭建电子电路，使多种元件能够封装在同一个模块IC中，包括电阻和电容等分立无源元件、二极管和晶体管等分立有源元件，以及更复杂的IC或专用集成电路(ASIC)，如门极驱动器、数字信号处理器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输出电路、控制电路及其外围电路贴装在相同基板上。这些IPM提供高能效、高可靠性及高安全性，跟采用分立元件实现的大电流设计相比，能帮助大幅减少元件数量，减小电路板占用空间，降低系统总成本，减少散热及提升可靠性。
图3：安森美半导体智能功率模块(IPM)采用IMST将多种元器件封装为模块。
2)自动制冰机驱动电冰箱自动制冰机使用有刷电机，一项功能是开启和关闭用于填充托盘的供应阀，另一项功能是一旦水结冰就翻转托盘。这两个功能都可以使用H桥电机驱动器来实现。安森美半导体提供用于自动制冰机电机驱动的器件包括LB1948MC和LV8548MC等。这些器件提供高击穿电压、高能效和变速控制等关键特性。其中，LB1948MC是2通道、12 V低饱和电压驱动、正向/反向电机驱动器，采用强固的击穿设计，在待机模式下的电流消耗为零。LV8548MC是单低导通阻抗DMOS驱动器，励磁模式包括满步及半步等，提供不同的步幅调节；这器件的导通阻抗仅为1 Ω，帮助提升能效；待机模式下的电流消耗同样为零，提供低能耗工作。
3)通风电机
对于电冰箱而言，通过风机通风来排热是重要功能，要求电机驱动器具有安静驱动、高能效及变速控制等特性。安森美半导体提供应用于电冰箱通风的创新、高能效的无传感器型电机驱动器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等三相驱动器。这些驱动器能够提供低能耗及低振动的工作，它们不要求霍尔传感器，因而能够减小电机尺寸。软启动功能使它们能够稳定地安静启动。LV8804FV、LV8805SV集成的软开关功能实现极为安静的电机工作。此外，锁保护功能用于在电机异常停转时关闭输出，因而保护驱动器。
图4：安森美半导体用于电冰箱的电机驱动及其它产品阵容。
4)阻尼器阻尼器用于起缓冲作用，当作用点运动很慢时，几乎没有阻力，而在作用点运动较快时阻力就明显增大，广泛用于电冰箱和洗衣机等应用。安森美半导体用于电冰箱阻尼器的电机驱动器包括LB1948MC和LV8548MC等。这些器件提供高击穿电压、高能效、低待机电流及变速控制等关键特性。
2.空调
常见的房间空调包括室内机及室外机等不同组成部分。空调室内机通常使用2个电机，其中1个用于风扇，另一个用于百叶窗，以控制房间内的气流；室外机通常使用3个电机，用于压缩机、风扇及阀。更高端型号还有辅助风扇。
1)直流风扇电机
室内机和室外机都会用到直流风扇，需要驱动3相BLDC风扇电机。风扇电机的驱动电压可达250 V，设计要求采用600 V器件，以确保足够强固，能够处理噪声尖峰问题。其中，室内机使用1.0 A的风扇。较大的分体式空调则使用2.0 A风扇。室外机使用3.0 A的风扇。
图5：空调中的电机应用。安森美半导体为直流风扇电机提供由LV8136V预驱动器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相风扇电机混合集成电路(HIC)构成的驱动方案。此方案提供高压、大电流(1 A/2 A/3 A)驱动，能效高，工作安静，元器件数量少，集成多种保护特性，提供更高可靠性。省电模式还使待机电流几乎为零。
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2)用于压缩电机和风扇电机的IPM
安森美半导体为空调的压缩电机及风扇电机驱动提供STK551-xxx系列、STK554-xxx系列和STK5C4Uxxx系列的3相变频器IPM，以及结合升压功率因数校正(PFC)和3相变频器的STK57F-3xx系列二合一IPM产品，提供多种应用优势。以STK57F-3xx系列IPM产品为例，由于将PFC和3相变频器合二为一，不仅提供高能效电路，还大幅减少元器件数量，节省PCB占用空间，缩短开发时间，降低组装成本，加快上市进程。
图6. 安森美半导体用于空调的二合一变频器智能功率模块(IPM)。
图7. 洗衣机/烘干机中的电机应用。1)筒驱动
在洗衣机内部，筒驱动器是最大的电机，通常电流在10 A范围。安森美半导体用于3相BLDC电机驱动器的IPM是用于筒驱动的最先进产品系列，符合高能效、安静驱动、极佳散热、强固及可靠工作等要求。这些IPM包括单分流电阻型的STK551U362A-E(10 A)、 STK531U369A-E (10 A) 和 STK531U394A-E (15 A)以及三分流电阻型的STK554U362A-E(10A)和STK534U342C-E(5A)。
2)供水及排水泵
供水及排水泵要求高能效及变速驱动等关键特性。安森美半导体的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，提供高能效，用于这类三相BLDC电机驱动应用。这些器件的PWM占空比能够采用IC输入来控制，适合从9.5 V至30 V的宽工作电压范围。
3)阻尼器
洗衣及烘干机应用中，阻尼器上要有一个电机来控制烘干机的气流。此阻尼器的关键要求跟电冰箱阻尼器相同，推荐使用LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC等高能效电机驱动器IC。以LB1948MC为例，这器件易于设计，待机电流几乎为零。
4)直流风扇
洗衣及烘干机中的鼓风机跟空调应用类似，建议使用LV8136V。这是一款PWM系统预驱动器IC，用于驱动3相无刷直流电机。由于采用PWM驱动，这IC提供优化的能效及低噪声。
