越压越强：从国产化替代到战国时代，国产电机驱动芯片，谁将成为下一个“比亚迪”？（一）
文摘
2024-10-25 06:54
江苏
在21年末，22年初的时候，国外大厂低端制程车规芯片，也就是基本是14nm以上迎来了一波疯狂涨价潮，当时一颗10元20元的芯片被炒到了2500元人民币一颗。除了汽车领域，工业其他领域也深受其害。当时一颗平时只有10块钱的STM32F103RCT6,价格也翻了10到20倍。关键有钱你也不一定能买到。导致当时国内各大家电厂，电动工具企业叫苦不迭。不少已经进入工厂流水线量产的产品因为缺芯，不得不暂时停产。以前不敢用国产，怕不稳定的研发工程师，此时不得不加班加点的寻求国产替代。2018年美国打压中兴之后，国产芯片就迎来了快速发展，此时刚好能够顶上。行业里很快就出现了能平替ST芯片的GD，国民，极海等等MCU。在稍微高端CPU芯片领域，也有了瑞芯微，全志等。那么时至今日，国产芯片目前状况如何，是否还只是单纯的模仿国外芯片的pin to pin？还是在原来的模仿替代基础上有了长足进步？目前的无刷电机控制芯片或许能管中窥豹，给出答案。传统有刷电机控制是由MCU的定时器输出PWM驱动H桥，实现对有刷电机的调速换向控制，下图是一个2相无刷电机驱动电路，有刷电机驱动电路和他类似：
目前在无刷电机驱动领域，FOC算法性能优秀。FOC电机控制又被称为矢量或者磁导向电机控制，也就是其通过控制定子绕组线圈中的电流生成的磁场，来控制电机转动。相对于梯形方波控制，其驱动波形是正弦波，电机运转更加顺滑，稳定，能够实现对电机速度，扭矩，甚至位置的精确控制。目前在冰箱，洗衣机，高速吹风机，无人机电调，甚至传统的电动工具领域，FOC算法正在快速普及。2.采用分离器件开发，PCB布板面积大，传统控制需要包含上述所有驱动电路，而上述驱动电路往往是分立的，同样对硬件设计工程师有一定要求。3.不同应用领域，对电机控制的需求有细微不同，比如在工业控制往往需要有CAN总线，高端甚至需要集成Ethercat工业网络总线。无人机电调领域，其往往需要同时驱动四路无刷空心杯电机，只需对速度的精确控制，对位置没要求，而在机器人领域往往需要对位置实现精确控制。针对这些问题，目前整个芯片行业快速跟进，大致给出如下几种电机驱动芯片方案：- 其需要外围再增设MCU，以及MOS。这种就属于传统的电机驱动方案，只是将MOS驱动进行集成，由原来的采用三极管，电阻，续流二极管等分离器件组成的MOS驱动，集成到单一芯片中。其中最具代表性的是TI的DRV系列。如下图中的DRV8329.这种也有其优点，即驱动电机功率相对自由，因为预驱和MOS分立，因此可以根据自己的电机功率选择相应电压功率的MOS和预驱。电机的控制还是由MCU的PWM控制。很多都进一步集成了电流运放，ADC转换，可以实现对驱动电路电流的采集，实现对FOC算法中IA,IB,IC的支持。
将预驱和MOS进行集成，因为MOS直接和预驱合封，因此自然其电流采集也集成在芯片当中，有些甚至也集成了LDO，这就意味着在使用该芯片的同时，可以省去一个DC-DC LDO芯片。但因为集成MOS，所以驱动电机的功率会被一定程度的限制。同样以TI的DRV8316C为例，该芯片可以直接接入4.5到35V的电源，驱动芯片本身能够输出3.3V-5V的电压，省去了LDO。通过6路货3路PWM控制，同时具备了一些保护功能。
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还是以TI MCF8315为例，其将FOC算法硬件化集成。可以通过PWM输入控制，也可以通过I2C接收速度控制命令，并集成了多种保护特性。同样因为集成了MOS，其电压功率会被限制。同时该芯片集成了LDO等DCDC功能，可向外提供3.3V或者5V电源。这种芯片可被用于只需要速度控制的应用场合，比如风扇，空调等领域。TI推出的这类芯片有方波控制的，有无感方波，无感正弦波的。他的缺点是灵活度不高，无法针对一些其他比如对位置控制有要求的领域使用。
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以英飞凌TLE987/TLE989系列为例，其集成了Cortex-M3内核+电机预驱+电机电流运放。同时集成了CANFD，CANFD通信速度能达到8M,相对于经典CAN2.0A或CAN2.0B，通信速度得到大幅度提升。不知道是不是集成度相对较高的原因，其预驱无法驱动24V或者更高电压的电机。![]()
终于来到了终极的全集成，也就是一颗芯片将FOC无刷电机驱动的所有器件全集成。由于其全集成，其可以实现电机的驱动一体，即：直接将驱动电路PCB安装于电机背部，最大化的减少电机和控制电路 占用的空间和体积。让客户实现对电机的傻瓜式使用。这里面最具有代表性的是国内峰岹的FU6881。该公司成立于2010年，并在2011年就发布首颗电机驱动控制三相无感BLDC芯片。可以说峰岹敏锐察觉到了在工业领域，无刷替代有刷的大趋势，顺势而为。该公司已经在2022年成功上市科创板。![]()
该芯片可以将电机控制PCB面积最小化。采用8051内核和该公司自研的电机专用控制内核ME，ME内核硬件化集成了电机FOC算法的同时，也可以用8051对FOC算法各项关键参数进行配置，可以说在极大降低FOC算法开发难度的同时，也保留了一定的算法配置灵活性。但有得必有失，由于高度集成，其驱动电机的功率有限制，只能驱动12V电机，电流也是1A左右。通信外设有SPI,I2C,串口，没有CAN。另外其flash只有32k，如果要OTA功能，这颗芯片可能会比较吃力。说国产芯片，似乎全文都在说TI，英飞凌国际巨头，只是最后才提到了峰岹，是不是不对？别急，抛砖引玉，我们先以国外巨头标杆作为参照，只有对比才能看出伤害，下一篇我们将全景介绍国内半导体行业在无刷电机驱动芯片上的布局，深度分析国产为何在多个行业将国际巨头驱逐出市场的原因，以及国产芯片在工业控制领域的不足和面临的挑战。你将看到很多小众的半导体品牌，似乎你还没听说过，但在实际工业市场上已经大杀四方。他们不但在和国际巨头的竞争中取得优势，在赶跑外来者之后还在互相卷，有点像现在的新能源车市场上的比亚迪。最后欢迎关注本公众号，并转发，您的关注是我们持续更新的动力！
