与非网6月7日讯  全球“缺芯潮”愈演愈烈。消费类、工业和汽车等各个领域都在寻求国产芯片替代,国产半导体产业开启真正元年。近日获悉,在传感器,电机控制以及电源管理芯片领域耕耘十几年的光大芯业微电子有限公司(ShaoxingDevechip Microelectronics, SDC,以下简称“光大芯业”)推出了磁编码器芯片系列,电流传感器芯片系列以及Sensorless电机控制芯片。

 

光大芯业微电子有限公司创立于2002年,是一家专业从事高性能模拟及数模混合集成电路设计、测试、服务于一体的国家级高新技术企业、中国半导体协会会员、光大芯业微电子省级研发中心、汽车电子、霍尔传感器电路等消费类、设计、产品广泛应用于通讯、多媒体、公司现有办公大楼和生产厂房,拥有1万级无尘室芯片、光大芯业,目前,每年投入新品研发设计经费达1000万元以上。品质优良。目前在美国、中国上海、深圳、杭州、绍兴等地设有公司。公司自建封测厂,是一家国内少有的虚拟IDM公司。

 

在主流的工业控制中,精密控制类电机无法绕开的是步进电机和伺服电机。目前高精度控制时大多使用交流伺服加以控制。在磁编码器推出之前,大多使用的编码器是2500PPR 的光电编码器。而低精度控制要求的闭环步进控制应用中,主流使用的编码器是1000PPR 的光电编码器。针对于这两个典型应用,SOP8封装的SDC2760以及TSSOP16封装的SDC2761分别可以无缝替换现有的1000PPR,2500PPR光电编码器。

 

针对老牌的竞争对手(AKM,AMS,MPS),光大芯业有突出的性能特点。光大芯业独创的解调算法让其一些指标甚至远超国外同行。如下表1所示。

 

表1主要参数对比

 

SDC2760有丰富的接口输出(ABZ,SPI,UVW等),且应用电路简单,下面是以SOP8为例的两种输出模式应用图。

 

图2. ABZ/UVW  输出模式接线图                              

 

图3. SPI/I2C输出模式接线图

 

随着工业控制器,汽车控制器集成度越来越高,能效比越来越高。为此对电流检测的检测精度,对检测电流的小型化,以及对检测电流电路的隔离耐压等要求都越来越高。光大芯业近期推出的集成式电流检测芯片SDC1600和SDC1650完美解决了来自市场的苛刻要求。

 

SDC1600是一款可内置磁路设计的集成式电流检测芯片,采用SOP8封装。芯片内部集成温度补偿电路保证整个工作温度内提供优异的温度特性。原边导体阻抗只有1.2mΩ,极大降低芯片发热量,内部双霍尔感应差分检测电路,可有效抑制外界的共模杂散磁场干扰,因此具有输出噪声低,检测精度高等优点。

 

SDC1600 基本参数如下:

 

  • 电压范围3-5.5V

 

  • 120KHz/7KHz输出带宽可选

 

  • 响应低至3.7uS

 

  • 精度优于±1%

 

  • 隔离耐压2100 V

 

  • 原边导体阻抗1.2 mΩ

 

  • 丰富的量程范围±10A,±20A,±30A,±40,±50A,+20A,+30A等。

 

比较传统的控制器电流保护中使用的是采样电阻加运放和隔离线性光耦的方式。这种光耦的方式结构复杂,可靠性低,价格昂贵,不易小型化。而SDC1600具有的原副边隔离耐压达到2100V。单芯片高集成度,可灵活编程的特点使得现代控制器不同电压域,跨电源的电流检测变得十分简单。如下图4所示。

 

图4   SDC1600电流检测应用图

 

而SDC1650是另一款可内置磁路设计的集成式电流检测芯片,芯片内部集成温度补偿电路保证整个工作温度内提供优异的温度特性。原边导体阻抗只有100uΩ,极大降低芯片发热量,内部使用差分检测电路,因此具有输出噪声低、检测精度高的优点。

 

SDC1650 基本参数如下:

 

  • 电压范围3-5.5V

 

  • 120KHz/7KHz输出带宽可选

 

  • 响应低至3.7uS

 

  • 精度优于±1%

 

  • 隔离耐压 8000 V

 

  • 原边导体阻抗 100 uΩ

 

  • 丰富的量程范围±50A,±100 A,±150 A,±200 A以及单相50~200A电流检测。

 

图5  SDC1650应用示意图

 

在一些大电流直流检测场合都会使用分流器来检测。而分流器一般用合金锰铜制造,导通阻值较大、发热较大、体积庞大,原副边不隔离;并且不易小型化、轻量化。为此光大芯业SDC1650 搭成的解决方案能完全胜任要求。

 

而在电机控制领域,光大芯业也推出了另外一款新品SDC9231,这是180度纯弦波BLDC集成控制器。

 

源于产业界对电机性能、效率、低噪音的要求不断提高,BLDC(无刷直流)电机逐渐普及。尤其是在小功率风扇应用,三相无刷、无传感器的BLDC已经成为主流。相比于MCU(单片机)控制架构,小功率风扇类BLDC更青睐ASIC(专用芯片)的方案。它体积小,成本低,功耗低,无需编程,即插即用。市场上的三相无刷直流风扇控制器算法分为两个门派。以microchip、TI、Richtek为代表的FOC(FieldOrientedControl)算法派都是基于电机电压和电流,估算电机转子位置,实现了180度弦波运行。以Rohm、Allegro、Anpec为代表的开窗算法派是延续six-step(六步方波)的思路,逐步减小开窗窗口,实现了从120度,到150度到如今170度的运行控制。

 

噪音由震动产生,震动由转矩波动产生,只有180度弦波的算法才可以实现恒定的转矩,从而得到完美的静音效果。因此两种算法相比,FOC方案在噪音方面更胜一筹。而市场的反应却恰恰相反,以笔记本电脑风扇为例,microchip和Richtek的ASIC方案基本销声匿迹,TI的DRV10964仅仅在高端市场有少量使用。笔者认为原因一是成本,FOC的电流检测,ADC等等模块无疑增加了产品成本。二是兼容性,产品默认设置只能在某一款机型上使用,电机参数变化后,芯片要相应地调整参数,过程也需要很有经验的调试才能完成。与此相对,开窗方案无论窗口大小,都在其中展示了反电动势的直接信息,控制变得非常方便。对笔电风扇应用,无论是FOC的方案还是开窗的方案,大陆IC芯片基本处于空白。

 

光大芯业最新推出的基于FOC的5V三相BLDC控制器SDC9231,实现了弦波启动,弦波运行,在苛刻的噪音测试基础上,尽量避免了竞品面临的问题。产品具有以下特色。

 

第一,算法、模拟电路、功率输出全集成,也就是市场上所说的三合一芯片。

 

SDC9231还集成了防反接电路,采用高边PMOS,与分立二极管方案相比,功耗更低。

 

图6 SDC9231功能框图

 

第二,核心参数可引脚配制。

 

FOC算法无需电机中心点CT(centertap)反馈,同时产品内置了无电容(capless)LDO,因此SDC9231多了两个引脚进行参数配制。cfg1,cfg2,cfg3三个引脚为多功能配制复用。在SDC9231上电Vcc达到工作电压后,IC依次向Cfg1,Cfg2,Cfg3引脚注出50μA约0.5mS的电流,并在0.5mS内采样Cfgx脚上外接电阻的电压,由量程为0~0.5V 的ADC转换后依次获得加速度,最大速度,电机相电阻的值。Cfg1为启动段开环加速值,开环加速值越大开环加速越快,务必与扇叶转动惯量大小匹配。Cfg2设定FOC运行时最高转速。Cfg3设定FOC运行时相线圈电阻参数。

 

 

图7 SDC9231典型应用图解

 

第三,正弦波算法。

 

相对于开窗FOC控制算法,180度FOC不开窗运行控制算法没有相电流中断的电流畸变,避免了因此可能带来的额外音频噪声,相电流波形更理想化。

   

图8不开窗FOC运行相电流 

 

图9 开窗FOC运行相电流

 

BLDC运行控制算法必须有转子和电枢的相对位置;对于不开窗FOC算法,转子位置是要屏蔽感生电磁场BEMF,通过配置的参数与采集相电压和相电流,可合并计算获得。忽略电机线圈的自感抗(这个简化的合理性基于大部分笔记本电脑风扇的2相线圈纯电阻在5~10Ω,对应2相线圈纯电感在500~1000μH,最高转速在120~220Hz,对应感抗ωL约为 0.5~1Ω);电机的BEMF矢量,电流矢量和电阻乘积,与对应的相电压矢量合成一个三角形。转子位置和感生电磁场BEMF相关,BEMF又是电流矢量和对应相电压矢量的函数。本FOC算法通过采集相电压和相电流,实时解这个三角函数,获得BEMF与相电压矢量夹角α,然后输出与BEMF矢量平行的驱动电流,达到最大的驱动扭矩。如下图10所示的三角形矢量图。

 

图10 三角矢量图

 

第四,过压,短路保护。

 

当电源电压超过一定阈值后,控制芯片一般会关闭输出,保护IC和电机的安全。对于感性负载,关闭功率输出意味着上下管同时off,电流将从mosfet寄生的二极管流入VCC。因此过压保护很可能造成电压的进一步升高,起到适得其反的作用。SDC9231采取了更加智能的策略,当电压超过阈值后,驱动逻辑由0,1驱动转变为栅极调压驱动。将mosfet控制在线性区(linear)而不是饱和区(saturation)。这种方法保证了输入电压不会因为输出关闭进一步提高。

 

图11 过压短路保护示意图

 

SDC9231具有完善的短路保护功能,电源对相,相对相,相对地都有保护。

 

U/V/W相驱动MOSFET开通时,电流在FET的DS沟道电阻的正常压降很低,除非外部电路因为短路流过较高的电流。

 

SDC9231为每个功率驱动MOSFET配置了一个正阈值比较器。比较器在捕获到MOSFET的VDS超出阈值时输出H信号,此信号与该MOSFET的开通信号相与后输出为OCP(驱动管过流)。这个过流保护可以通过寄存器配制滤波和敏感度设置,保证IC在输出短路的时候不会损坏。

 

除了以上提及传感器领域、电机控制领域外,光大芯业也布局了电源管理产品线,快充领域的一系列芯片也均已量产。期待光大芯业的一系列新品都能给行业带来惊喜,助力‘中国芯’,开创‘芯时代’,发扬光大芯片事业。