BLDC的应用持续增长，主要市场驱动力来自于以下几个方面：工业类电机应用节能指令提出了新要求；印度对于吊扇应用，致力于实现50%的节能目标；越来越多设备的终端客户，希望有更好的使用体验。
无刷直流电机（BLDC）的应用在持续增长。其主要市场驱动力来自于以下几个方面：
第一，工业类电机应用节能指令提出了新要求。据悉，欧盟计划到2035年节能2000亿美元的能耗。其中的一个重点就是电机——其耗电量占到总能耗的50%到60%，可谓是“耗电大户”。
具体来说，家电标识是家用电器能效的重要参考。欧盟新规定要求，洗碗机效率必须要有30%的提高。这就主要取决于电机转换效率的增加，进而意味着低端电机或控制算法的更新换代。现在很多应用都从有刷直流电机转向无刷直流电机。无刷和有刷的最大区别是有无电刷，这就涉及到摩擦损耗。
此外，欧盟还有一个ErP指令，要求在2025年，所有家电设备的待机能耗要小于300mW（原来的标准是500mW）。这涉及到MCU睡眠模式和无线蓝牙模块等功耗的优化。
第二，印度对于吊扇应用，致力于实现50%的节能目标。据估计，目前印度的家庭中，大约有八亿个吊扇在使用。这些吊扇中就会用到电机。目前，这些吊扇中用的都是低效的单向感应电机，而不是BLDC。这就是BLDC的另一个机遇。
第三，越来越多设备的终端客户，希望有更好的使用体验。这又包含三个方面：
无刷直流电机本身没有电刷，静音效果就非常好。打个比方，我们家里的排油烟机在做饭炒菜的时候，当然希望越安静越好。这时，BLDC就能带来更好的用户体验。
暖通空调应用要求对气流实现精确控制。这意味着对电机转速，进而对电机前后风压的比例做到相对准确的控制。无刷直流电机可以采用MCU进行软件控制，因此可以实现更精准的气流控制。
更少的家电设备宕机时间。宕机时间也即设备损坏之后，经历维修阶段，导致其无法使用的一段时间。宕机时间当然是希望越少越好。直流无刷电机不仅寿命更长，而且由于采用MCU控制，可以通过检测实现预测性维护，因此能够使宕机时间缩短。
BridgeSwitch-2 IC产品适合于1马力的单相或三相电机的驱动
前不久，Power Integrations（PI）公司面向1马力（746W）单相或三相电机驱动推出了BridgeSwitch-2 IC产品。据了解，该产品主要用在电机逆变器的应用，与其第一代产品（最大功率为300W到400W）相比，实现了输出功率的提高。其中包含多个型号，C封装对应功率比较小的型号，W封装对应支持500W到750W应用的型号。
据PI资深技术培训经理阎金光（Jason Yan）介绍，随着输出功率的增加，该产品可以涵盖更大的应用范围。它可以使不同型号的工业类应用都使用BLDC。“当然，这款产品面向高压BLDC应用。BLDC分为高压和低压。有些时候，24V就没有必要使用这个系列的产品。这里的高压指的是300V至320V的直流母线电压。这类应用本身的效率较高。以汽车产品为例，母线电压由400V上升到800V的好处就是，电流可以减半，这样损耗就可以降低。因此，想达到一个更高效的设计，一般来讲，都是在功率不变情况下提高电压，降低电流，从而使效率增加。电压的增加对半导体的耐压提出了更高的要求。随着母线电压增加，开关管的耐压都要有相应的增加，才能满足具体使用需求。”阎工说。
BridgeSwitch-2及MotorXpert提供了整体逆变器解决方案
除了第二代产品之外，PI还提供了MotorXpert软件。“一个电机要想实现真正的运转，不只是依赖于硬件，还需要软件的支持，也就是需要有MCU运行程序。程序和硬件的搭配对于电机调整来说非常关键。如果没有整体解决方案，让客户自己去选择MCU或调试软件的话，就可能花更多的时间。PI考虑到有很多终端客户都有类似的需求，因此提供了全套的整体逆变器解决方案。这样就可以缩短产品的上市时间。”阎工表示。
除此之外，它还有低待机功耗的特点，可以轻松满足欧盟ErP的300mW待机标准的要求。他特别提到，PI利用自己的技术优势，实现了电机工作状态的检测。所谓的工作状态，就是电机的磨损程度，电机的使用寿命。有了这个技术之后，就可以在故障没有真正发生之前提前更换电机，从而缩短整个设备的宕机时间。
这款IC内部集成了上管跟下管。而在驱动三相电机的时候，则是采用三个器件来驱动。每个器件可以通过在PCB板上均匀分布来帮助散热。这样，就不需要在传统的IPM模块上添加一个很大的散热片来进行散热。利用PCB板进行散热，可以优化散热的设计。
同样，延续了PI一贯的优势，该解决方案的元器件数目也可以做得非常少。这不仅可以提升可靠性，而且，由于在很多的电机当中都是把逆变器的驱动板跟电机做到一起的（做成圆形设计），以便将它放到电机壳的内部（做到外部就需要用导线连接，而且会影响可靠性），因此更少的元器件就可以节省PCB的空间，从而方便与电机的集成。
讲到效率，就需要提到功率开关管的一个特性。PI集成的上管和下管叫做FREDFET。对于电机这样的感性负载，FREDFET与一般的MOS管的最大区别就是，它的体二极管的反向恢复特性做了极大优化。这种优化可以保证效率做得更高，同时还能兼顾EMI表现。“如果是一个400W输出功率的话，1%的效率就是4W了。这样大的功率会使任何一个局部发热点在发热的时候都是非常烫的。在这种功率比较高的应用当中。哪怕是1%的效率提高，都能对IC的温升和散热要求产生极大的区别。”阎工说。
最后，它提供MCU控制，因此可以实现精确的BLDC控制。“无论是转速还是噪声，还是波形和谐波等等，这个解决方案都可以提供更好的控制。这也是我们的BridgeSwitch-2和MotorXpert配合之后带来的一些主要优势。”阎工说。
简化散热设计
新功率封装以及高效特点优化器件的温升性能
BridgeSwitch-2采用了新的功率封装。“毕竟它是用来处理功率的，因此在小功率当中，还是延续旧有的的InSOP-24C封装，它的底部有两个裸露焊盘。这样，就可以利用回流焊的方式，把它焊到PCB板上来进行散热，从而节省散热片。对于输出功率比较大的应用，比如500W和750W的两个系列产品，可以采用新的InSOP-L38封装。封装体积更大，本身的散热能力也更强，因此可以处理更高的输出功率。”阎工说。
“这个封装也叫W封装。这样就可以让每个半桥都有一个单独的封装来进行散热。在PCB板上可以把它分布到不同的位置来增加它跟PCB板的接触面，从而省去传统的外加散热片的方式。”
采用集成半桥（IHB）架构将IC温度降低30℃以上
如下图左边所示，BridgeSwitch-2采用IHB架构，可以将IC的温度降低30℃以上。三个不同的半桥IC，最高温度是在88.3℃左右。下图右边是电机外壳内部的驱动板，这三个IC可以实现图中所示的均匀分布。右边则是MCU。
传统的IPM模块与之相比，内部有六个开关管，集中发热点的发热情况是非常严重的，因此，一般来讲，IPM模块都需要加散热片。暂且不说绝缘问题，包括安规问题的处理，加了散热片之后，至少高度会高出很多。这样，要想把它放到电机外壳当中，有时就是一件不太可能完成的任务。
除了MotorXpert之外，PI还有一个电源的设计软件PI Expert。“考虑到有些客户对温升不确定，不知道该用多大的PCB板来散热，因此我们开发了这个PI Expert，用它来对器件的温升进行估算。在录入逆变器输出功率和效率以及最大外壳温度信息后，根据热阻情况，就可以建议PCB板的散热面积应该用多大。”阎工说。
内置相电流检测功能优化系统性能
集成相电流检测（IPH）直接提供了相电流信息，简化了电流反馈电路
任何电机控制都要检测相电流信息。通过检测转子位置了解相电流之后，就可以进行FOC控制，也即上管和下管的调制。传统的方式是采用外部电流检测电阻，通过源极到母线的地端加一个电阻来检测相电流。这样的方式，一方面它会损失效率——相电流会始终在这个电流检测电阻上产生损耗；另一方面，它要加一些额外的电路进行信号放大和电平转换等等，这些电路也会占用更多的PCB板面积，也会增加系统成本。
PI采用了另一种方式，那就是内置相电流检测功能。如图所示，系统的MCU需要知道相电流的信息，一般这个电流都是通过在LS跟地之间加一个电流检测电阻进行检测。PI则是利用下管的内部电路来进行检测，然后通过IPH引脚在外部接一个电阻即可。这个电阻上的压降直接反映了相电流的大小。这种方式可以完全简化掉外部的电流检测电阻，以及相应的外围电路。
这样做的另外一个好处是，由于电流是在内部进行检测的，电流的信息就不会受噪声的影响。“我们知道，电机转起来之后，它有一个很强的电场和磁场。这时，它的使用环境具有很强的噪声，非常地脏。我们一般希望电流检测信号越低越好，这样损耗才会降低。但当它低到一定程度之后，噪声就会对检测的准确度产生影响。通过这样的方式，可实现精确的检测。相电流的信息不会受噪声的影响。这也是IPH内部电流检测方式的一个巨大好处。”阎工说。
传统的方式是在下管上加一个电流检测电阻。检测完了之后，还要用运算放大器进行放大，还要做电平转换，因为MCU的ADC输入端只能接受正信号。对于三相电路，每一相都需要有这样一套电路，总共就需要三套电路。这就会造成电路成本的增加。采用IPH方式的话，就可以省去这些外围电路。
基于IPH的电流信息可省去90%的电流反馈电路并将逆变器损耗减少10%以上
如下图电机系统所示。电机驱动来自于逆变器，它由三个BridgeSwitch器件构成。BridgeSwitch器件可以检测相电流的信息并反馈到软件端——MCU。实际上，整个系统是一套软硬结合的系统。硬件部分包括逆变器和电机，软件部分负责执行FOC控制。这样就形成了闭环控制。在去掉电流检测电阻之后，逆变器的损耗减少了10%以上。尽管效率提升可能不会有那么多，但温升表现是极其明显的。
精确的电流测量
电流检测信息需要做到精确，不受噪声影响。那么与传统方案相比，IPH方案具有哪些优势？从下图可以看出，三个相电流的正弦波信息是非常干净的。合成的电流直接反映了相电流的大小。因此，利用这个IPH信息做闭环电流控制，所得到的波形非常漂亮。
但是，如果用传统的分流器（外部电流检测电阻）来检测，由于它的信号比较小，所受到噪声的影响就比较大，这个检测结果就会直接影响到MCU内部的计算。MCU要根据具体的电流信息来进行计算。它在控制开关管开关时，所产生的电流波形就不是一个理想的正弦波，这就说明谐波成分比较高，损耗也就比较高，效率就会受到影响。另外，由于不是理想的正弦波，所产生的噪音也会比较明显。“我们知道，电机的一个最直观的指标就是要静音，要降噪。BLDC尤其如此。我们希望用BLDC的主要原因，一个是高效，一个是静音。从这两种不同的方式可以看出，IPH电流检测方式具有更大的优势，不但节省了成本，提升了效率，而且波形的质量也要远远好过分立元件检测的方式。
预测电机的维护状态更加精确且兼具成本效益
另外，前面提到，还可以利用IPH精确检测的方式来准确预估电机的寿命，进而缩短宕机时间。电机的转动过程中存在着震动和旋转，也就会有磨损和摩擦。电机的定子和转子一开始耦合是很好的，但随着使用寿命的增加，磨损逐渐增加。电机转子的磁场会产生反向电动势，跟定子产生的磁场作用，就会造成电流波形的畸变。
可以通过检测相电流的方式来了解电机的使用寿命，了解它的磨损度达到了40%、60%或80%等等。当我们知道电机快寿终正寝的时候，就可以提前把电机换掉。这样，就可以保证设备实现很顺滑的运行，从而使宕机时间缩短，而不必在设备出现了故障之后才更换电机，这就是可预测的电机维护状态。
“可以通过精确的电流检测来预知电机的使用寿命，是一个很重要的特点，尤其在很多高端设备当中，我们不希望真正出故障时才去维护它，而是希望在故障发生之前，就实现预测性维护。首先，这要建立在对相电流精确检测的基础上。如果采用IPH的检测方式，预测的准确度可达到92.5%。与此相比，采用分流器的方式会受到噪声影响，导致其准确度只有55%。
“从这个角度来看，利用IPH精确的电流检测，可以实现可预测的系统维护。电机的好坏可以经由对相电流的分析加以预测。这种预测的好处就可以达到更好的用户体验，缩短宕机时间等等。甚至，如果设备具有远程监控的功能，还可以远程检测电机的状态，看看它的磨损度达到多少，这是非常有意义的、有力的一个产品卖点。”阎工说。
进入“睡眠”模式，降低待机功耗
除了BridgeSwitch功率增加，以及可以用IPH来做可预测系统维护外，第三个重要特点就是它可以进入睡眠模式。睡眠模式，顾名思义，就是可以降低待机功耗。PI的第一代产品当中是没有这个模式的。第二代产品考虑到客户的实际使用需求，最终加入了这个功能。
使用BridgeSwitch-2产品的逆变器在使用外部供电情况下具有高达99%的效率
在谈睡眠模式之前，首先来看一下电机在正常运转期间，它的功率架构是什么样的。下图是一个采用320V直流电压源供电的高压BLDC。这个直流高压加到逆变器的母线端，三相逆变器就会有三个半桥电路。除了开关之外，它还有驱动电路，这个驱动电路的供电是来自于辅助供电。
图中的辅助供电采用的是Link-Switch-XT2SR电源。它也是PI的一个IC，可以用于辅助供电应用。当然，也可以采用其他的方案，但需要是双路输出的电源。一路输出是15V，给逆变器驱动电路进行供电。另一路输出是3.3V，给MCU进行供电，进而实现FOC无感控制的运算。这样一套方案做下来，采用15V外部供电，可以做到99%的转换效率。前面讲到，750W电机，如果效率能实现1%提升的话，温升表现都是有很大差异的。
BridgeSwitch第一代的驱动电压是16.5V。现在，为了兼顾现有IPM模块15V的供电电压，其第二代产品当中也是把供电电压调成了15V的供电。
睡眠指令重新设置功率架构
现在来看，怎么进入睡眠状态。这涉及到什么时候检测到睡眠。一般来讲，我们需要通过MCU检测设备处于睡眠工作状态，比如30s之后不工作，或者3min内不工作，就让设备进入到睡眠模式。当MCU检测到睡眠状态之后，它会发出一个指令给辅助供电电源，让它的输出电压降低。
辅助电源的输出电压越低，它本身的损耗也会降低。输出采样电路，包括反馈电路，都会有相应的功耗降低。总体目标是降低总体输入的待机功耗。把15V输出降到6V输出后，逆变器当中的驱动没法供电了，这时，它就会切换到自供电方式。BridgeSwitch第一代产品一般都是有自供电的。第二代也可以通过320V来进行自供电。切换到自供电操作之后，用MCU发出一个睡眠指令给它。BridgeSwitch当中有个SLP的引脚，一旦电平变换之后，就会进入到睡眠模式。进入到睡眠模式之后，它的待机功耗就可以降低到10mW以下。（注：一般来说，如果功耗小于5mW，就可以认为是零功耗——几乎所有低端甚至是高端的功率计都没法测量了。）
按照ErP的标准——300mW，10mW的待机功耗意味着可以有290mW用在其他负载上面。无形当中意味着可以在待机模式实现更多的待机功能。这样就能使用户体验变得更好。
MotorXpert简化了设计及方便设计优化
电机本身除了硬件，还有很大一部分工作是在软件上面。一般来讲，要想开发一个电机产品，首先要购买电机、MCU，要设计一套电机驱动软件，要根据购买的硬件进行一对一的搭配调整，因为每一个电机的参数都不同，转子的惯性也不一样。甚至它的旋转起来之后，本身公差的不同，也会造成音频噪声的高低差异。这个时候，就需要一个具体的调试过程。
总体逆变器设计解决方案加快了设计周期
PI提供的软硬搭配的总体解决方案，让工程师可以不必懂得编写代码，不必像程序员一样知道怎么去调整。在提供逆变器IC的同时，PI提供了一个MotorXpert的电机调试软件。它具有一个图形用户界面，客户可以手动录入一些参数，来看电机旋转的表现，包括效率表现、噪音表现，电流波形是不是理想的正弦波等等。
客户需要在电脑上安装一个MotorXpert软件。它有一个接口板，与逆变器的板子进行接口。其中的故障也是双向传输的，可以在这个软件的界面上显示出来。同时，它还能产生相应的PWM控制信号，控制半桥电路中上管跟下管的开通。还有IPH的电流反馈，也是通过这个软件进行检测。这个整体解决方案，加快了产品进入市场的周期。
MotorXpert中用于电机启动及性能优化的图形用户界面
MotorXpert可以实现哪些功能呢？
无论是单相还是三相电机的设计，它可以实现对电机的启动/停止。
可以设置一些具体的参数，包括电机的调试和启动过程以及转速等各项参数。参数是实时设定的，就是电机不必停下来，比如把转速由2500rpm改成3500rpm。当然，转速增加的快慢，是通过调整PID的参数来实现的。
可以提供一些可视化信息。包括电机及逆变器的故障诊断（过流、过温、过压故障等等），都可以以故障母线的方式返回到软件端。包括电机的电流及转速是多少，都可以实时地显示出来。最有意思的就是数字示波器，前面提到的相电流的波形和IPH的波形就是用它显示出来的，在电脑上就可以实时地看到电机当中运转的电流波形。
最后，它易于使用。很多参数都可以实时地进行设定。用户无需了解C语言，无需了解代码，就可以用图形界面的方式直接改变软件的设定。当电机调试好了之后，就可以把生成的软件拷贝出来，然后在批量生产时烧入到MCU即可。
总结
总体来讲，BridgeSwitch-2和MotorXpert简化了电机设计，增加了效率，降低了空载功耗。
具体来说，首先，与第一代相比，BridgeSwitch-2提高了功率，目前已能完美适用于1马力（750W）输出功率的电机应用。这样的输出功率可以涵盖更大的使用范围。
第二，它针对功率比较大的场景提供了更好的新封装。
第三，睡眠模式可以做到小于10mW的待机功耗。
第四，IPH电流检测方式可实现可预测的系统维护。
此外，它支持单相或三相电机。
硬件连接的保护特点（也就是保护特性靠硬件来完成）还加快了产品上市时间。“目前很多方案都是采用硬件检测故障，然后反馈到软件当中，由MCU来终止驱动信号，实现保护，这种保护是依赖于软件的，不太可靠。硬件的方式则可以实现更可靠、更及时的保护。”阎工说。
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