近年來，各國政府為倡導節(jié)能環(huán)保而紛紛出臺新的家電能效標準，當下消費者在購買家電時，除了考慮價格因素，也會將產(chǎn)品是否省電作為一個重要的參考因素。在產(chǎn)品日趨同質(zhì)化、競爭越來越激烈的白家電市場，家電企業(yè)要想立于不敗之地，產(chǎn)品達到更高能效將是重要賣點。
電機是家電的核心組成部分：其中高檔電冰箱中使用的電機達5個或更多，用于阻尼器、風扇、制冰機、壓縮機、氣流調(diào)節(jié)及冷卻流泵等；空調(diào)室內(nèi)機通常使用2個電機用于風扇和百葉窗，室外機通常使用3個電機用于壓縮機、風扇及閥；洗衣機要求采用電機來驅(qū)動筒、水泵以及各種泵；烘干機需要電機來驅(qū)動筒及鼓風機。因此，在設計中采用高能效的電源轉(zhuǎn)換及電機驅(qū)動/控制方案是設計出高能效家電產(chǎn)品的關(guān)鍵。本文將介紹安森美半導體幾款典型應用于白家電產(chǎn)品的電機驅(qū)動及控制方案。
家電應用要求及設計挑戰(zhàn)
1. 減小體積
消費者越來越青睞體積小巧的電冰箱的趨勢，導致工程師采用更小的電機以優(yōu)化占用空間。
2. 降低能耗
能耗問題是工程師們在家電應用設計中的一大共同挑戰(zhàn)。例如，如果風扇驅(qū)動器的電路板內(nèi)置，就會產(chǎn)生熱量及并要求消耗額外的電能來把它冷卻。因此，工程師可能會同時要求高能效及具強力冷卻功能的電機。
3. 靜音驅(qū)動
實現(xiàn)靜音驅(qū)動是工程師的一大目標，以減小家電產(chǎn)品中電機產(chǎn)生的惱人噪聲，為消費者帶來舒適寧靜的使用體驗。
4. 寬電壓/電流范圍
家電中的不同電機應用對電壓及電流范圍有不同的要求。
此外，由于家電要求采用高壓電源來驅(qū)動，耐用性、安全性及可靠性也很重要。
用于白家電的典型的電機驅(qū)動器方案
安森美半導體是電機控制領(lǐng)域的關(guān)鍵供應商，提供寬廣陣容的高能效電機驅(qū)動/控制方案，支持最高電壓達600 V，最大電流達50 A，包括12 V無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動器、24 V BLDC電機驅(qū)動器、3相BLDC電機驅(qū)動器控制器(驅(qū)動電壓達240 V)及600 V或更高電壓BLDC電機驅(qū)動器，幫助工程師能設計出更高能效、更安靜工作、占位面積更少的方案用于對電機的電壓范圍及電流范圍有不同要求的冰箱、空調(diào)、洗衣機及烘干機等白家電應用。
圖1. 用于白家電的電機驅(qū)動器/控制器電壓/電流范圍概覽
1. IPM及二合一IPM
安森美半導體提供的3相電機控制的智能功率模塊(IPM)，如單分流電阻型的STK551U362A-E(10 A)、STK531U369A-E (10A) 和STK531U394A-E (15 A)，以及三分流電阻型的STK554U362A-E(10A) 和 STK534U342C-E(5A)，能滿足高擊穿電壓、高能效及高可靠性的要求，是用于驅(qū)動電冰箱和空調(diào)壓縮機、空調(diào)風扇電機及洗衣機筒驅(qū)動的理想選擇。
這些IPM使用安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST?)，采用低熱阻、高導熱的絕緣材料將銅箔和金屬基板即鋁基板壓合在一起，金屬的高熱傳導率使功率輸出電路、控制電路及模塊外圍電路能夠貼裝在同一基板上。此技術(shù)具有7大技術(shù)優(yōu)勢，包括：易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本、內(nèi)置外圍電路簡化PCB設計以縮短終端產(chǎn)品的設計時間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實現(xiàn)更可靠的散熱保護、噪聲抑制、降低浪涌電壓、提升能效和降低能耗，以及單列直插式 (SIP) 型封裝優(yōu)勢。
圖2. 安森美半導體智能功率模塊(IPM)采用IMST將多種元器件封裝為模塊
因應減小尺寸并提升能效的趨勢，安森美半導體IPM已發(fā)展至下一代高能效二合一IPM STK57F-3xx系列用于變頻家電。該系列IPM將升壓PFC轉(zhuǎn)換器和3相變頻器合二為一，不僅提供更高能效電路，還進一步減少元器件數(shù)量，節(jié)省PCB占用空間，縮短開發(fā)時間，降低組裝成本，加快上市進程。值得一提的是，IPM STK57FU391A-E獲得今日電子與21ic.com聯(lián)合舉辦的2014年度TOP-10電源產(chǎn)品獎中的“Top 10電源產(chǎn)品獎”及“技術(shù)突破獎”，并再獲得EDN China《電子技術(shù)設計》2015年度創(chuàng)新獎中功率與驅(qū)動器件類最佳產(chǎn)品獎，彰顯安森美半導體高能效創(chuàng)新的實力。
圖3. 安森美半導體用于變頻空調(diào)的二合一IPM
2. H橋電機驅(qū)動器
安森美半導體的LB1948MC、LB1909MC、LV8548MC和LV8549MC用于驅(qū)動阻尼器(電冰箱及洗衣機、烘干機內(nèi))。這些器件提供高擊穿電壓、高能效、低待機電流、變速控制及易于設計等關(guān)鍵特性。其中，LB1948MC和LV8548MC還可用于驅(qū)動電冰箱自動制冰機電機。LB1948MC是2通道、12 V低飽和電壓驅(qū)動、正向/反向電機驅(qū)動器，采用強固的擊穿設計，在待機模式下的電流消耗為零。LV8548MC是單低導通阻抗DMOS驅(qū)動器(導通阻抗僅為1 Ω)，勵磁模式包括滿步及半步等，提供不同的步幅調(diào)節(jié)；待機模式下的電流消耗同樣為零，提供低能耗工作。
3. 無傳感器型電機驅(qū)動器
對于電冰箱而言，通過風機通風來排熱是重要功能，要求電機驅(qū)動器具有安靜驅(qū)動、高能效及變速控制等特性。安森美半導體提供應用于電冰箱通風的創(chuàng)新、高能效的三相驅(qū)動器，如LV8804FV、LV8805SV及LB11685AV等。這些驅(qū)動器能夠提供低能耗及低振動的工作，它們不要求霍爾傳感器，因而能夠減小電機尺寸。軟啟動功能使它們能夠穩(wěn)定地安靜啟動。LV8804FV、LV8805SV集成的軟開關(guān)功能實現(xiàn)極為安靜的電機工作。此外，鎖保護功能用于在電機異常停轉(zhuǎn)時關(guān)閉輸出，因而保護驅(qū)動器。
4. 預驅(qū)動器IC + 混合IC
空調(diào)室內(nèi)機和室外機都會用到直流風扇，需要驅(qū)動3相BLDC風扇電機。風扇電機的驅(qū)動電壓可達250 V，設計要求采用600 V器件，以確保足夠強固，能夠處理噪聲尖峰問題。其中，室內(nèi)機使用1.0 A的風扇。較大的分體式空調(diào)則使用2.0 A風扇。室外機使用3.0 A的風扇。
安森美半導體為直流風扇電機提供由LV8136V預驅(qū)動器IC和STK611-7xx或STK5C4系列三相風扇電機混合集成電路(HIC)構(gòu)成的驅(qū)動方案。此方案提供高壓、大電流(1 A/2 A/3 A)驅(qū)動，能效高，工作安靜，元器件數(shù)量少，集成多種保護特性，提供更高可靠性。省電模式還使待機電流幾乎為零。
由于洗衣及烘干機中的鼓風機跟空調(diào)應用類似，也可采用LV8136V以提供優(yōu)化的能效及低噪聲。
1. 直接PWM控制三相BLDC電機驅(qū)動器
安森美半導體的LB11920和LB1975采用直接PWM控制，用于要求高能效及變速驅(qū)動的洗衣機供水及排水泵的三相BLDC電機驅(qū)動應用。這些器件的PWM占空比能夠采用IC輸入來控制，適合從9.5 V至30 V的寬工作電壓范圍。
結(jié)語：
高能效是符合各項環(huán)保法規(guī)及能效標準的關(guān)鍵，也是白家電應用的趨勢。針對具體應用采用安森美半導體一系列高能效電機驅(qū)動/控制方案（圖4），可設計出滿足更小體積、更低能耗、更安靜工作的贏取市場的節(jié)能型白家電。
圖4. 安森美半導體應用于白家電的高能效電機驅(qū)動方案概覽