Qorvo PAC芯片在无线吸尘器的应用

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本文来自Qorvo公众号
 
最近几年,在Dyson的带动下,便携式手持吸尘器市场有了迅猛的发展。但从市场上的反应看来,这类吸尘器的价格千差万别,而在使用体验上更是一言难尽。为了让大家对眼花缭乱的手持吸尘器有更深入的了解。Qorvo日前拆解了一款由其公司芯片提供支持的某品牌手持吸尘器,希望能大家提供更多的参考。
 
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大多数读者都知道,Qorvo是射频领域的专家,但其实在去年收购了专注于电源管理与智能电机驱动的芯片公司Active-Semi之后,Qorvo就在相关领域加强了布局。本文中提到的这颗芯片就是来自Active-Semi的产品。
 
在拆解之前,我们先来说一下手持吸尘器的工作原理。
 
相关资料显示,手持式吸尘器能除尘,主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮,通电后,抽风时电机以每分高达10万转的转速发生极强的吸力和压力,在吸力和压力的效果下,空气高速排出,而风机前端吸尘有空气不断地弥补风机中的空气,致使手持式吸尘器内部发生瞬时真空,和外界大气压形成负压刷、长接收、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋,尘土等杂物滞留在滤尘袋内,空气经过滤片净化后,由机体尾部排出。
 
由此可以看到,为了实现更好的吸尘目的,我们就需要一个关键的部件,那就是无刷电机,这是吸尘器吸力的重要倚仗。而在实际使用过程中,为了提升手持吸尘器的体验和产品竞争力,我们要求无刷电机能够做到四点,分别是:超高转速、恒功率控制及保护、快速启动和低成本,因为只有这样才能在竞争激烈的市场中取得领先。
 
而要做到以上几点,一个好的无刷电机控制芯片是关键。
 
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如上图所示,这个产品采用了Qorvo的CST32251芯片,这是一颗高度集成的电机控制SoC,将电源管理、50MHz Cortex-M0的MCU、栅极驱动器、运放比较器等集成到同一个芯片里面。用这颗芯片及外围MOSFET就可以设计出非常简洁紧凑的电机控制板。手持吸尘器的电机控制板和电机安装在一起,要求电机控制板尺寸尽量小。这种高度集成的方案能很好的解决这个难题。
 
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为了让大家看到Qorvo这颗芯片在无刷电机控制中的真正表现,本文针对上述四点,做了一些实测和数据披露,给大家带来更直观的体验。
 
1、超高转速
 
无刷电机控制对 MCU 的运算能力、ADC 和 PWM 的性能都有较高要求。尤其是高速吸尘器的机械转速高达 150KRPM, 对应到电频率则会高达 2.5KHz。那就意味着如果控制频率也按 25KHz 来算的话,那么 MCU 就需要有较强的计算能力。为了实现更好性能的 FOC 控制,我们还要求 ADC 拥有更高的的采样速度和精度,PWM 的分辨率也是越高越好。在无刷电机控制,也需要优化 FOC 算法,这样就能减少运算时间。以上正是 Qorvo 这颗芯片所具备的。
 
据了解,PAC 采用的性能一般的 Cortex-M0 内核,主频为 50MHz,为了实现较高的控制频率,需要尽可能对 FOC 的算法进行优化和精简,以减少每次 FOC 运算的占用时间。
以本文拆解的产品为例,电机转速达到了 12.5KRPM,这已经是目前行业最顶尖的水准。
 
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2.恒功率控制及保护
 
对于一款无刷电机控制器,准确的功率计算和控制方法也是很重要,因为只有这样,才能让你在恒功率控制的使用场景下,可以在吸尘器不同工况(风道变化,电池电压的变化)下保持恒定的功率输出的同时,还能保持除尘能力。在这方面,国产方案表现得不怎么好,或者干脆没有,但 Qorvo 的这颗芯片在这个方面表现出色。
 
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(在电池放电周期内,电池电压缓慢下降的情况下,驱动器功率恒定在176w,功率波动在1W以内)
 
除此之外,Qorvo 这颗芯片还有完善的保护措施,当中包括了过压、欠压、过流、堵转、开路保护、内部电源监控及保护、Cycle-By-Cycle 限流、过温等。而对电源和温度进行监控和故障保护,也让整个方案的安全性有了进一步的提升。
 
据介绍,PAC 内部集成了多个内部电源监测的功能和温度检测功能,可以用 ADC 去采样内部电源或者复位芯片,同时芯片过温的话,会触发 MCU 复位事件.
 
在这颗芯片的支持下,吸尘器能够持续的在 12 万多转的速度还能保持度准确的功率计算和控制方法,在多维度的安全方面也得到了保证,这是非常难完成的一个挑战。 
 
3.快速启动
 
为了优化电机启动算法,Qorvo在这个芯片中采用了如高频注入等新的启动方式。所谓高频注入,是指在启动之前在电机中注入高频的信号用于检测出电机的转子位置,可以实现无反转及快速启动。在这个设计的助推下,这款产品达到了瞬间启动,启动速度在0.5S左右.
 
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4. 低成本
 
对于现在的产品设计,成本会是衡量一个方案选型的重要参考,而这也是Qorvo这颗芯片能够提供的。
 
由于PAC电机控制芯片内部集成了电源、栅极驱动、运放、比较器等,这种高集成度的芯片将原来放在外部的分立器件都集成到一颗芯片里面,所以PCB面积小了,相对应的BOM成本就低了。这个高集成度还减少了分立器件带来的系统失效率和返修率。
 
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值得一提的是,这个方案采用了单电阻做Sensorless FOC控制. 不同于之前的3颗采样电阻做电流重构的方案,单电阻采样的方式能进一步降低成本。当然,这样的设计对算法有比较高的要求,Qorvo能够提供针对单电阻算法完整的控制策略和代码。
 
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另外,从实际测试中看来,这个方案的功耗也能提供很亮眼的表现。数据显示,PAC休眠模式下功耗为12uA,整个系统的待机功耗表现也很亮眼。
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