在6月26日,充电头网举办了2024电动工具新技术线上研讨会,旨在深入了解各大芯片企业对电动工具领域的最新技术和解决方案,参会者们通过在线平台聚集一堂,共同探讨未来电动工具发展的关键技术趋势。
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在本次研讨会中,上海晶丰明源半导体股份有限公司 李四龙为我们讲述了凌鸥MCU电动工具整体解决方案。
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晶丰明源成立于2008年,总部位于上海,并于2019年在科创板上市。公司专注于模拟芯片设计,特别是电源管理和控制芯片的研发与销售。
2023年,晶丰明源控股了南京凌鸥创芯电子有限公司,后者是一家专注于电机驱动芯片设计的公司,已经在电动车、大家电、清洁工具、电动工具和汽车电子等市场占据了较大市场份额。
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南京凌鸥目前主要有三条产品线,首先是MCU产品线,包括03x、05x、06x、07x、08x和45x等系列产品,目前各系列均已稳定出货。其次是get driver驱动产品线,涵盖了半桥驱动、全桥驱动、低压驱动和高压驱动等,支持广泛的电机驱动选型。第三条产品线是电源及功率器件产品线,包括AC-DC电源、DC-DC电源和IPM等。
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以上产品图谱展示了南京凌鸥MCU产品的多样性,包括由8英寸和12英寸制程的多个系列,其中03、05、06、08系列为8英寸制程,07和45系列为12英寸制程,涵盖了M0内核和M4内核架构的芯片,MCU主频从48MHz到192MHz不等。目前,公司主要推广的是03和07系列产品,前者主频为48MHz,性价比高,后者为96MHz,资源更为丰富。
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在车规级应用上,晶丰明源的产品通过了ACQ100认证,包括AT039、AT086、AT089和AT085等芯片,支持LIN通信和CAN通信。这些产品广泛应用于电动汽车的风扇、空调摆风口、油泵、水泵等电机驱动相关的应用中。
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凌鸥的MCU采用了MCU加DSP双内核架构。DSP部分主要用于增强运算速度,FOC电流内环可以在1.2μ秒内完成。
其次,凌鸥的产品普遍具有较高的主频,超过了市场上大部分主流的MCU,一般的MCU主频为72MHz或48MHz,凌鸥M0内核的MCU产品主频普遍为96MHz,M4内核的45系列更是达到了192MHz。
另外,产品的ADC具备高速双路同步采样能力,采样率可达到三兆以上。内部集成的千分之五电压基准源,采样精度高。
针对电机控制的需求,产品内部集成了仪表级全差分可编程增益放大器,可使电流采样更为精确,能处理正负电流信号,非常适合于FOC的控制。
此外,MCU支持硬件SIN、COS、ARCTAN和SQRT运算,显著加快了运算速度。
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产品内部集成了比较器,支持逐波限流功能,差分运放支持mos内阻采样,千分之五内部电压基准源采样精度高,内置的中心点虚拟电路可以节省外部虚拟电路,从而为客户节省成本。
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凌鸥的07系列产品在之前MCU+DSP的内核基础上增加了CLU模块,DSP提升运算速度,CLU增强了各模块之间的相互联动能力,使芯片在使用时更加灵活方便。
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凌鸥的MCU产品结合了高速运算、精准采样和灵活配置的特点,适用于多种应用场景,特别是在电动工具领域,推出了集成度更高的LKS32MC034FLF6Q8B芯片,034F内部集成了三个自举二极管,内置了5V LDO和反电动势检测电阻,用户可以在做方波驱动时可以节省外部的反电动检测电阻,节省了更多的布板空间和元器件成本。内部集成的预驱电压范围更宽,从4.5伏到20伏都可以正常使用。
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在控制算法方面,凌鸥的研发团队已经开发出20多种产品级控制算法,包括直接闭环零速启动、启动扭矩缓升、电机堵转不失步,可以通过高频注入实时探测转子位置等特点。
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凌鸥的解决方案覆盖多个领域,主要包括电动出行(如电动车、三轮车、滑板车)、清洁电器(吸尘器、扫地机器人)、高速风筒、汽车电子、电动工具、风扇和大家电等,可以为客户提供更优质的服务和多种应用的整体解决方案。
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凌鸥构建了完整的生态体系,从产品选型到开发设计再到量产,为客户提供一条龙服务,凌鸥拥有专业的销售顾问和FAE支持团队,提供方案评估服务,确保客户得到最佳的解决方案。
此外,代码库支持超过二十种产品级方案,可供客户进行二次开发。产品也通过了Class B和Class C等安全认证。技术交流方面,可通过微信和21IC论坛提供技术支持和交流平台,帮助客户解决问题和分享经验。
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这款图形化工具是凌鸥开发的调试工具,能方便工程师的开发调试。它具有高速数据采集、曲线和数据同步滚动以及触发功能,类似于示波器的功能,在产品开发时能帮助工程师捕获数据,准确查找异常点。同时凌鸥秉持开放包容的态度,友商的MCU产品也可以使用该工具。
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凌鸥的产品包含了从DC电源到MCU驱动再到功率器件等电机驱动主要的元器件,配合公司多个领域的产品级算法,可以为客户提供一站式解决方案。
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晶丰明源的IC设计团队位于南京凌鸥,晶圆制造在上海华虹,封装测试在华天、通富等大型封装厂,能够确保产品质量,具有可靠的供应链和品控保证。
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下面看看南京凌鸥针对电动工具的整体解决方案。目前工具市场主要包括电动工具和园林工具两大类,其中电动工具包括枪钻、电锤、角磨机、电扳手等,园林工具则包括割草机、打草机、吹草机、电动剪刀等应用。
在控制方案方面,目前市面上主要采用的是无感方波控制,部分产品会用无感FOC控制。
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现在详细介绍凌鸥的一款BLDC方案的特点:
首先,该方案是基于磁饱和效应法的静态初始位置检测,启动时无噪音,定位准确度高,非常适合电动工具这种凸极率比较高的电机。
其次,采用ADC模式加CMP模式的双模式控制方式,低速时使用ADC模式,高速时使用CMP模式,可以实现更好的控制效果。
另外,这些方案算法支持大转矩启动,并且低速长时间堵转时能够保持位置不丢失,媲美有感的产品。此外,针对低速稳定运行的需求,凌鸥进行了特殊处理,使电机在低速运行时更加稳定。
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在硬件电路设计方面,凌鸥的BLDC方案内部集成了两路比较器,通常情况下一路用于过零点检测,另一路可以用于硬件过流。比较器内部集成了虚拟中心点,可以节省外部虚拟中性点电路。
此外,芯片的某些端口同时集成了ADC功能和比较器功能,支持ADC模式和比较器模式的灵活切换,这样不仅节省了外部电路,也提高了系统的整体性能和稳定性。
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内部集成可编程运算放大器,不需要外部偏置电路,可以直接读取电流信号。
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由上图看出,硬件设计非常简洁,因为内部集成了多种功能模块,比如自举二极管、反电动势采样电阻,5V LDO等,这使得布板更加简单,同时也节省了BOM成本。
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关于BLDC控制算法,凌鸥采用六脉冲定位算法进行初始位置检测,这种方式无噪音且启动成功率较高。定位后,可直接进入闭环启动,支持大转矩启动。
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在低速情况下,插入180度反向脉冲来抵消部分正转时的扭矩,从而实现超低速稳定运行功能。
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支持长时间堵转不丢失转子位置信息,而且堵转无噪音,效果媲美有霍尔。
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此外,采用低速ADC模式运行,在超过设定转速门限后可以切换到比较器模式,实现无缝切换。
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在比较器模式下,电转速可达到15万转以上,支持电机超高速运行,能通过软件调整超前角度,特殊的消隐处理使过零点判断更准确。控制方面做了顺风起、软硬刹车、速度环、电流环等功能,适用于多个领域的应用。
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上图是一款方波+FOC方案,在相同硬件上,可以实现方波和正弦波双模式运行,低速时使用方波以提高启动成功率和扭矩,高速时使用正弦波运行可以减小噪音和转矩波动。
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无感FOC方案目前主要用于部分打草机和割草机的应用上,目前已实现稳定量产。该算法启动成功率高,电机在堵转时能持续输出扭矩并且不反转,观测器的收敛速度更快,启动时间更短。此外,方案使用MOS内阻采样,显著节省了两个到三个采样电阻,符合园林工具对成本的要求。
充电头网总结
晶丰明源通过控股南京凌鸥创芯电子有限公司,大幅提升了在电机驱动芯片设计领域的市场份额。南京凌鸥的三条主要产品线——MCU产品线、get driver驱动产品线和电源及功率器件产品线,在电源管理和电机驱动技术方面有着深厚积累,具有20多种产品级控制算法,其BLDC解决方案,采用先进的控制算法和硬件设计,具有集成度高,电路精简,成本效益高等优势。适用于电动工具、大家电、清洁工具、汽车电子等多种应用场景,通过采用这些方案可显著提升了产品性能和用户体验。
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