1. 引言

2024年，邁來芯(Melexis)推出了MLX90416/18，這是全球首款適用于30-60W功率范圍的無感單線圈BLDC電機驅(qū)動器。這一創(chuàng)新技術(shù)正重新定義我們對電機和風(fēng)扇控制系統(tǒng)的處理模式。相較于傳統(tǒng)AC電機設(shè)計，它提供了更為高效的解決方案;和三相BLDC電機解決方案相比，其成本效益優(yōu)勢更為顯著。

1.1. 傳統(tǒng)電機設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

在從消費電子到工業(yè)系統(tǒng)的眾多領(lǐng)域中，AC感應(yīng)電機或三相BLDC電機長期被視為首選解決方案。然而，這些電機在實際應(yīng)用中存在明顯的權(quán)衡問題，對效率和可擴(kuò)展性形成了一定限制：

● AC電機：雖向來以成本效益著稱，但與BLDC電機相比，其效率往往較低，性能表現(xiàn)也相對遜色。

● 三相BLDC電機：具備出色的效率和性能優(yōu)勢，但需要配備復(fù)雜的驅(qū)動器以及更多組件。這不僅增加系統(tǒng)設(shè)計和集成的難度與周期，又提高制造商成本，最終轉(zhuǎn)化為用戶的購置使用負(fù)擔(dān)。

1.2. ‘NoHall’無霍爾解決方案

MLX90416/18 直接應(yīng)對上述行業(yè)挑戰(zhàn)，巧妙融合了BLDC電機的高效特性與單線圈電機結(jié)構(gòu)的簡易性與成本優(yōu)勢。作為一體化解決方案，它比分立式方案可靠性更、所需組件數(shù)量更少。其免代碼設(shè)計特性無需任何軟件開發(fā)工作，同時提供可配置選項，方便對應(yīng)用進(jìn)行精準(zhǔn)微調(diào)，從而有效降低設(shè)計成本、縮短開發(fā)時間，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。此外，MLX90416支持將單線圈電機的功率范圍擴(kuò)展至最高 60W。

邁來芯(Melexis)在單線圈電機控制領(lǐng)域深耕已久，為單線圈BLDC電機打造了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的一體化驅(qū)動器。作為 MLX90416/18 核心的’NoHall’無霍爾技術(shù)，是邁來芯在單線圈電機控制領(lǐng)域的又一重大創(chuàng)新成果。該技術(shù)無需依賴反饋傳感器，而是借助集成電機控制器算法，對電機的電信號展開智能處理。這種創(chuàng)新的無感方案，讓設(shè)計人員能夠?qū)LDC電機部署在電機外部，進(jìn)而實現(xiàn)電機模塊的優(yōu)化，并簡化模塊設(shè)計。而且，它支持在多種電機設(shè)計中使用同一PCB板，無需重新設(shè)計，顯著降低了制造復(fù)雜度、設(shè)計工作量以及物料清單(BoM)成本。

為進(jìn)一步降低研發(fā)成本、減輕開發(fā)工作量，MLX90416與MLX90418集成了更為豐富的數(shù)字功能。這些功能涵蓋具備8個設(shè)定點的靈活傳輸曲線選項、I2C接口、雙向操作功能，以及適用于服務(wù)器應(yīng)用的特定功能(如順逆風(fēng)啟動、掉電制動、交流失電功能等)。

從消費電子、白色家電及家用設(shè)備領(lǐng)域，到工業(yè)或服務(wù)器應(yīng)用場景，該一體化解決方案均有著廣闊的應(yīng)用空間。無論是風(fēng)扇、鼓風(fēng)機還是泵類設(shè)備，MLX90416/18 都能以更低的成本、更長的使用壽命以及更卓越的性能為其提供強勁動力。

2. 什么是單線圈BLDC電機?

單線圈BLDC電機，是一種僅采用單個繞組或線圈充當(dāng)定子的無刷電機類型。其典型結(jié)構(gòu)設(shè)計包含一個內(nèi)置固定線圈繞組的內(nèi)定子，以及一個配備永磁體的旋轉(zhuǎn)外轉(zhuǎn)子。

該電機的運行機制在于，通過向電機線圈輸送不同方向的驅(qū)動電流，在定子中激發(fā)出旋轉(zhuǎn)磁場。此時，轉(zhuǎn)子上的永磁體與這個旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子受到吸引力和排斥力的共同作用。

定子被特意設(shè)計成具有不對稱氣隙或定子磁極的樣式，這種設(shè)計會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機停止運轉(zhuǎn)時，該轉(zhuǎn)矩會將轉(zhuǎn)子固定在已知的齒槽位置。這一特性使得控制器能夠精準(zhǔn)確保轉(zhuǎn)子以正確的方向啟動。

單線圈BLDC電機的簡潔設(shè)計，有助于降低制造環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度，同時還能維持較高的運行效率。

2.1. 無刷電機的優(yōu)勢

在對可靠性、使用壽命以及效率有著嚴(yán)苛要求的應(yīng)用中，BLDC電機相較于DC電機，通常更受市場青睞，這主要得益于其以下幾方面顯著優(yōu)勢：

? 效率卓越：無刷電機因不存在電刷，避免了電刷摩擦帶來的能量損耗，能夠?qū)⒏嚯娔芨咝мD(zhuǎn)化為有效運動，同時運行過程中產(chǎn)生的熱量也更少。

? 功率密度出眾：這類電機結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊合理，在有限的體積和重量條件下，能夠輸出更大的功率，對于空間受限的應(yīng)用場景，具有不可替代的重要價值。

? 使用壽命長久且維護(hù)成本低廉：由于不存在電刷磨損的問題，BLDC電機的使用壽命顯著延長，所需的維護(hù)工作也更為簡便。

? 電氣噪聲微弱：無刷電機因摒棄了電刷，運行時產(chǎn)生的電氣噪聲極小，這一特性對于對環(huán)境噪聲敏感的電子設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備等，具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.2. 單線圈與三相BLDC電機的爭論

電機選型時，單線圈BLDC電機與三相BLDC電機的抉擇，主要取決于具體應(yīng)用場景所提出的要求，不過歸根結(jié)底往往是在成本與性能之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。

? 單線圈BLDC電機：具有結(jié)構(gòu)簡單的顯著優(yōu)勢，成本效益極為突出。其所需的控制電路復(fù)雜程度較低，這使得電機設(shè)計過程更為簡便快捷，進(jìn)而有效降低了制造成本。

? 三相BLDC電機：能夠輸出更高的扭矩以及更平穩(wěn)的功率輸出，運行過程中產(chǎn)生的噪音更低、振動更小。然而，其需要配備更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這也直接導(dǎo)致了成本的增加。

單線圈BLDC電機更適用于對成本極為敏感的低功率應(yīng)用場景，而三相BLDC電機則在高功率、高效率需求的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。邁來芯(Melexis)依托MLX90416與MLX90418兩款產(chǎn)品，推出一體化、高性價比且高效的解決方案，拓展了單線圈BLDC電機的功率范圍。

3. 單線圈BLDC電機是如何控制的?

在單線圈電機的運行機制里，換向指的是定子線圈中電流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵時刻。當(dāng)電流方向反轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的磁場會隨之改變極性，進(jìn)而吸引或排斥下一個轉(zhuǎn)子的永磁磁極。為了確保電機能夠持續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，控制器必須精準(zhǔn)掌握轉(zhuǎn)子的位置，以此確定最佳的換向時機。

傳統(tǒng)上，單線圈BLDC電機主要依靠霍爾傳感器來實現(xiàn)精準(zhǔn)控制?；魻杺鞲衅鞅话惭b在電機模塊內(nèi)部的小型PCB板上，其核心功能是感應(yīng)轉(zhuǎn)子的磁場變化，并將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號，為正確換向提供必不可少的反饋信息。通常情況下，該PCB板還集成電機控制器、驅(qū)動器以及其他電子元件。

然而，將PCB板安裝在電機模塊內(nèi)部增加了額外的機械限制，使得電機的整體設(shè)計復(fù)雜度上升。在風(fēng)扇應(yīng)用場景中，為了適配PCB板，往往需要對轉(zhuǎn)子和葉片的設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，這無疑增加了設(shè)計難度和成本。此外，在存在流體的泵類應(yīng)用中，要將霍爾傳感器放置在距離轉(zhuǎn)子足夠近的位置，也面臨著不小的挑戰(zhàn)。

3.1. 為何選擇無感控制?

正如其名稱所暗示的，’NoHall’無霍爾產(chǎn)品系列摒棄了霍爾效應(yīng)傳感器的使用。取而代之的是，它借助先進(jìn)的算法與信號處理技術(shù)，直接從電機的電信號中精準(zhǔn)提取所需的轉(zhuǎn)子位置信息。盡管這一技術(shù)在單線圈BLDC電機領(lǐng)域?qū)儆趧?chuàng)新之舉，但在三相BLDC解決方案市場中，它早已得到廣泛應(yīng)用并獲得了市場的認(rèn)可。對于小型單線圈BLDC風(fēng)扇、鼓風(fēng)機和泵而言，這一看似微小的改變實則帶來了諸多顯著優(yōu)勢：

? 設(shè)計更簡潔、緊湊：集成無感控制以及其MCU功能的 MLX90416/18 系統(tǒng)集成，有效精簡物料清單，實現(xiàn)更為緊湊的設(shè)計。這一改變不僅減少組件的數(shù)量，還切實降低成本，同時節(jié)省PCB板空間。

? 設(shè)計更具靈活性：無感設(shè)計賦予電子元件放置位置更高的靈活性，使其能夠遠(yuǎn)離電機本體進(jìn)行布局。這一特性有助于進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)扇的設(shè)計，同時也可極大地簡化泵系統(tǒng)的設(shè)計流程。

3.2. 無感控制：電機控制領(lǐng)域的一項突破

盡管無感三相或單線圈BLDC電機控制在諸多方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，然而我們也要清醒地認(rèn)識到，無感控制算法相較于使用霍爾傳感器的控制算法，其復(fù)雜程度更高。

● 電機啟動：無感BLDC電機在實際應(yīng)用中，面臨的一大棘手難題便是電機啟動?！疦oHall’無霍爾專利電機控制IP確保電機在啟動時以正確的方向運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)平穩(wěn)、可靠的啟動過程。

● 應(yīng)對控制復(fù)雜性：’NoHall’無霍爾專利電機控制IP為無感控制提供了必不可少的先進(jìn)控制電路和算法支撐。針對電機運行過程中可能出現(xiàn)的故障情況，如堵轉(zhuǎn)等，該 IP 也專門設(shè)計了相應(yīng)的檢測算法。

4. 將PCB板外置有哪些優(yōu)勢?

將PCB板從電機單元中移至外部，這一設(shè)計變革帶來了多方面的顯著優(yōu)勢，深刻影響著系統(tǒng)的設(shè)計、性能、維護(hù)以及可靠性。在高溫、多塵、潮濕等惡劣環(huán)境，如工業(yè)風(fēng)扇、鼓風(fēng)機或泵的應(yīng)用場景中，其優(yōu)勢尤為突出。

? 簡化系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)資源重復(fù)利用：把PCB板與電機分離，使得單個PCB板能夠靈活應(yīng)用于多種不同場景。這一改變不僅有效降低整體設(shè)計復(fù)雜度，削減成本投入，還能縮短產(chǎn)品上市時間。以風(fēng)扇設(shè)計為例，沒有了PCB板的機械限制，用戶能夠更加自由地優(yōu)化轉(zhuǎn)子和葉片的設(shè)計，從而提升風(fēng)扇的性能和效率。

? 推動模塊化設(shè)計，簡化故障排查與維修：PCB板外置后，用戶可以采用模塊化的設(shè)計理念來構(gòu)建系統(tǒng)，將電機、PCB板等不同組件根據(jù)實際需求放置在不同位置。這種設(shè)計方式為整個系統(tǒng)的布局提供更大的靈活性。此外，當(dāng)某個獨立部件出現(xiàn)故障時，無需對電機單元進(jìn)行拆卸操作，即可方便快捷地進(jìn)行檢修或更換。這有助于實現(xiàn)更快速的維修，對于那些對停機時間要求極為嚴(yán)苛的系統(tǒng)而言，具有至關(guān)重要的意義。

? 優(yōu)化熱管理：當(dāng)PCB板緊鄰電機放置時，電機線圈在運行過程中產(chǎn)生的熱量以及周圍環(huán)境的影響，可能會使PCB板暴露在高溫環(huán)境中。而將PCB板置于外部后，電子設(shè)備能夠獲得更充足的氣流，或者處于更有利于散熱的環(huán)境中。這有助于有效防止電子設(shè)備過熱，確保其性能更加穩(wěn)定可靠，同時還能延長電機驅(qū)動器、控制器和電容器等敏感組件的使用壽命。

? 增強防塵防潮能力：在許多應(yīng)用場景中，風(fēng)扇等設(shè)備往往處于灰塵、濕氣或碎屑容易堆積的環(huán)境中。如果PCB板安裝在風(fēng)扇內(nèi)部，這些因素可能會對其產(chǎn)生潛在的損害。而將PCB板外置后，可以將其安置在更具防護(hù)性的環(huán)境中，例如密封、防塵或防水的外殼、連接器內(nèi)，或者處于氣流良好、能使污染物遠(yuǎn)離組件的位置。

? 隔離振動影響：電機單元在運行過程中通常會產(chǎn)生一定程度的振動，這些振動可能會對PCB板上的組件和焊點產(chǎn)生負(fù)面影響。將PCB板置于外部，能夠使其遠(yuǎn)離電機單元，從而免受機械應(yīng)力和振動的影響，確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運行。

4.1. 實際應(yīng)用

在無感控制系統(tǒng)中，采用將PCB板外置，并搭配MLX90416/18一體化免代碼驅(qū)動器的方式，能讓多個實際應(yīng)用場景從中獲益：

? 工業(yè)風(fēng)扇和鼓風(fēng)機：工業(yè)環(huán)境的條件通常較為惡劣，存在高灰塵、高濕度、高溫以及振動等問題。把PCB外置后，可將其放置在防護(hù)性能更佳的外殼(或遠(yuǎn)程控制箱)內(nèi)，從而更好地抵御這些不利因素。此外，獨立的PCB和電機單元也便于進(jìn)行維護(hù)與修理。

? 水泵：許多水泵在潮濕、濕潤或具有腐蝕性的環(huán)境中運行，水或化學(xué)物質(zhì)的接觸可能會損壞內(nèi)部的電子元件。將PCB從電機外殼中移出(可放置在密封的防水外殼中)，能使水泵實現(xiàn)水下作業(yè)，同時無需特殊涂層即可保護(hù)電子元件。這提升了諸如泳池或水族箱水泵以及工業(yè)水泵等應(yīng)用的可靠性，這些水泵需要長時間平穩(wěn)運行且無需維護(hù)。

? 家用電器：像真空吸塵器和吹風(fēng)機這類小型設(shè)備，能夠從MLX90416/18一體化解決方案的緊湊設(shè)計、功能集成和耐用性方面受益。外置PCB可保護(hù)其免受灰塵或高溫的影響，進(jìn)而提高電器的整體耐用性。

? 排氣扇：無論是廚房還是浴室的排氣扇，通常都會接觸到高溫和濕氣。將PCB置于外部外殼中，可保護(hù)電子元件免受這些環(huán)境因素的影響，同時也便于維修。

? 熱風(fēng)分配風(fēng)扇：用于分配熱風(fēng)的風(fēng)扇，例如烤箱或空氣炸鍋的風(fēng)扇，會面臨高溫環(huán)境。外置PCB可以將電子元件放置在更有利于散熱的環(huán)境中，確保實現(xiàn)更好的熱管理，提高耐用性并延長使用壽命。

5. 結(jié)論

MLX90416/18一體化、免代碼、無感單線圈BLDC驅(qū)動器堪稱一項具有變革意義的解決方案。它集簡便性、高效性與成本效益于一身，適用的應(yīng)用場景極為廣泛。該驅(qū)動器無需霍爾傳感器，可提供無感控制，這一特性簡化了電機設(shè)計流程，不僅降低了成本，還縮短了產(chǎn)品的上市時間。同時，它顯著提升了產(chǎn)品的可靠性與耐用性，進(jìn)一步拓展了單線圈BLDC電機的功率范圍。此外，其免代碼的特性意味著無需進(jìn)行任何軟件開發(fā)工作，大大減少了開發(fā)工作量，進(jìn)而降低了開發(fā)成本。

這一創(chuàng)新成果正在改變我們在從消費電子到工業(yè)系統(tǒng)等各領(lǐng)域的電機控制方式，在成本、性能以及可持續(xù)性方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

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