電機作為電機控制與驅動系統中重要的執行器，可以說是無處不在，不夸張地說，電機驅動著我們這個世界的“運轉”。而在眾多類型的電機中，要說近年來表現最為搶眼的，非BLDC（無刷直流）電機莫屬。

所謂無刷直流（BLDC），故名思議，這是與傳統的、歷史更悠久的有刷直流（DC）電機相比較而言的。

具體來講，兩者主要的區別在于：DC電機是將永磁體作為定子，線圈繞在轉上，通過電刷與換向器的機械接觸，將外部的能量傳輸到線圈上，通過改變電刷的位置使得線圈上的電流方向發生變化，線圈一側與定子永磁體磁極排斥，另一側與磁極相吸，因而產生連續不斷的旋轉；而BLDC中則是將線圈繞在定子上，將永磁體作為轉子，通過改變線圈所產生的磁場方向來驅動轉子旋轉，通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉，因而不需要電刷、換向器這樣的機械部件。

BLDC的優勢

BLDC電機獨特的結構，決定了其與DC相比，具有很多優勢：

1

更大的扭矩

DC電機旋轉過程中最大扭矩只能保持一個瞬間，想要獲得更大的扭矩，就需要使用更大的磁鐵。而BLDC的工作原理決定了，在質量相同、輸入功率相同的情況下，它可以輸出比DC更大的扭矩。

2

更高的效率

由于BLDC具有良好的控制性，可以精準地達到所需的扭矩、旋轉數等目標參數，因此對于電力的利用效率顯然會更高。

3

更長的壽命

DC電機在工作時，電刷和換向器接觸會產生磨損，因而使用過程中可靠性會下降，使用壽命也受限，而且電刷和換向器的摩擦會有火花，限制了其在一些對安全可靠性要求較高的場景中的應用。而BLDC則沒有這些問題，因此具有更高的可靠性和更長的使用壽命。

4

更低的噪聲

DC電機中電刷和換向器的機械作用，會產生音頻噪聲，在EMI電磁干擾方面的挑戰也會更大；相較而言，BLDC的開發中就不需要為這些“噪聲”問題太過勞神。

5

更好的熱性能

DC電機在應用中，往往會需要輔助的散熱裝置，這會使得系統的體積增大；而BLDC電機由于效率高，熱性能也更好，在體積上也可以控制得更小。

總之，BLDC電機控制性能好、效率高、可靠耐用、壽命長、外形更緊湊……集諸多優點于一身，它受到市場的青睞一點也不奇怪。

快速發展的BLDC市場

如今，在風機、泵、電動自行車、電動工具、壓縮機、農機具、汽車電子等很多領域，BLDC電機都成了用戶和開發者心目中一個優選的方案。

比如在傳統家電領域，以空調電機為例，中國2018年空調用電機的產量為3.6億臺，其中BLDC電機的產量約為9600萬臺，但其一直保持著穩定的增長態勢，今年突破1億臺沒有什么懸念。而且，相關能源法規的制定和不斷加碼，也在進一步加速家電行業BLDC升級換代的進程，未來的空間巨大。

在一些新興的應用中，BLDC也已經占據了主流，成為必選項。比如在新能源汽車中，每輛車上一般會搭載130到200臺電機，其中BLDC占據了相當大的比率。再比如BLDC主導的電動自行車行業，根據歐洲自行車行業協會數據統計，2006年到2018年，歐洲市場電動自行車銷量從9.8萬輛增長到了250萬輛，年均復合增長率達到31%；也有研究表明，從2020年到2027年電動自行車市場的年均復合增長率將保持在7-11%。

降低BLDC的技術門檻

上面說了BLDC電機的萬般好處，但其并非沒有短板，其中最“短”的那一塊，就是BLDC控制驅動系統設計復雜，成本較高，這也是影響BLDC滲透和擴張速度主要障礙。

因此如何從技術的角度出發，不斷拉低這道BLDC電機的技術門檻，加速其應用開發的速度，也就成了BLDC技術發展中要考慮的最核心的著力點。

一個典型的BLDC電機解決方案通常包括四個部分：

電機控制器：通常是由MCU、DSP等主控芯片負責，進行電機控制與算法處理，并根據來自BLDC電機的反饋信號做出響應，為柵極驅動提供6路PWM信號。

柵極驅動：也被稱為“預驅”，會根據控制器的輸出信號，向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動電流。

功率級：包含MOSFET或IGBT等功率器件，通過開關動作控制輸出到BLDC負載上的功率，驅動電機運動。

反饋回路：將BLDC電機的轉速、位置、電流、電壓，以及故障等信號，反饋給控制器，形成控制的閉環。

目前我們可以看到，BLDC技術方案的演進有兩個明顯的趨勢：一是探索更高集成度，二是提供一站式的整體解決方案。

所謂提升集成度，就是將控制器、柵極驅動、功率級三個部分進行集成，形成不同的解決方案。按照“集成”策略的不同，BLDC技術方案可以分為四類：三個部分彼此獨立的離散驅動解決方案；將柵極驅動和功率MOSFET集成為IPM，“IPM+控制器”的解決方案；將柵極驅動與控制器集成，再加功率器件的解決方案；將所有三部分都集成在一起的SoC解決方案。

這四類方案各有長短，總的來說，隨著集成度的提升，方案在成本、體積等方面的優勢就更明顯，但是在功率、耐壓、靈活性等方面則需要做性能折中，因此根據特定的BLDC應用選擇最合適的方案，就顯得尤為重要。

我們再來看看“一站式”的整體方案。實際上，這就是要有能力為BLDC客戶提供全系列的關鍵元器件，并且每類元器件中，還要有豐富的產品組合，以適應多樣性的應用場景要求。

在這方面，安森美（onsemi）就是一個很好的范例。從圖2中可以看到，除了主控MCU和電池包，安森美的產品可以全面覆蓋BLDC中的各個功能模塊，類別包括柵極驅動器、MOSFET、IPM電源模塊、LDO、電流檢測放大器、電子保險絲 （eFuse）等全系產品。這就像是提供了種類豐富的技術資源“拼圖”模塊，開發者只要根據自己的需要合理地“拼接”這些技術資源，就能夠設計出一個理想的BLDC電機“作品”。

透視BLDC“拼圖”模塊

如果我們仔細探究安森美為BLDC電機準備的這些技術“拼圖”模塊，會有更多驚喜的發現。下面我們就通過幾個經典的產品來做個透視。

電隔離式大電流柵極驅動器

隔離式柵極驅動器是BLDC技術方案中非常重要的一環，它為功率器件提供所需的高壓、高速的驅動能力，同時具有符合安規的隔離性能。

安森美提供的電隔離大電流柵極驅動器具有高瞬態和電磁抗擾度的特性。如NCx5700x是大電流單通道IGBT驅動器，支持》5kVRMS（符合UL1577標準）電隔離和》1200VIORM的工作電壓，同時具有互補輸入、開漏故障、就緒輸出、有源米勒鉗位、精確UVLO、DESAT保護、DESAT軟關斷，以及便于進行系統設計的獨立高側和低側（OUTH和OUTL）驅動器輸出等功能，有利于提高大功率應用的系統效率和可靠性。在應用開發中，安森美的電隔離式大電流柵極驅動器的半橋節點無需保護電路，由此可以帶來更大的PCB布局靈活性。

NCx5700x可在輸入側提供5V和3.3V信號，在驅動器側提供較寬的偏置電壓范圍，包括負電壓能力，可以滿足不同應用的要求。NCx5700x系列采用寬體SOIC-16封裝，輸入和輸出之間的爬電距離保證為8mm，以滿足增強的安全絕緣要求。

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Trench6 N溝道MV MOSFET

在BLDC功率級的設計中，高效率的功率器件必不可少。安森美為此提供了非常豐富的MOSFET產品，其中Trench6 N溝道MV MOSFET是最值得關注的“代表作”。

該MOSFET系列由于采用先進的屏蔽柵極（Shield Gate）功率溝槽工藝，大幅降低了導通電阻，優化了開關損耗，提高了功率密度。這些MOSFET包括30V、40V和60V的產品，具有各種小尺寸封裝選項，支持更大的設計靈活性。

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電流檢測放大器

在BLDC的反饋回路中，電流檢測放大器用來監控電流消耗，為控制器提供有助于系統安全和診斷功能的關鍵信息。

安森美的電流檢測放大器集成外部電阻器，可以提供精度更高、尺寸更小的解決方案。這些電流檢測放大器可最大限度地減小BOM空間，優化性價比，提高系統靈活性。

它們支持-0.3V至+26.0V很寬的共模輸入范圍，電源電壓范圍2.2V至26.0V，具有低失調電壓、低偏置漂移，在整個溫度范圍內都具有高精度，可實現更高功效，還提供符合AEC-Q101標準并具有PPAP功能的選項，滿足車載BLDC方案設計要求。

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電子保險絲

在BLDC電機這樣的功率應用中，電路保護功能自然少不了。為此，安森美的電子保險絲在單一器件內提供了一整套集成解決方案，支持過流、過壓、過熱、反極性和浪涌電流保護，并能夠通過GPIO報告故障和禁用輸出。

安森美的電子保險絲同樣有豐富的產品組合可選，電壓范圍為3V至12V，支持1A至12A連續電流，有助于在各類BLDC系統緊湊的電路板布局中，提供全面的保護功能。

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寬Vin/Vout LDO穩壓器

在BLDC方案內部的電源管理設計中，LDO穩壓器是常用的器件。在這方面，安森美的寬Vin/Vout LDO穩壓器，是一款值得推薦的產品，其輸入電壓范圍2.7V至60.0V，輸出電壓范圍1.2V至33.0V，有固定和可調選項。

該LDO系列產品具有超低靜態電流（典型值1μA）、快速瞬態響應以及大輸入和輸出電壓范圍，還可選配高電源抑制比 （PSRR） 和低噪聲等其他特性，有多種封裝類型可選（從最小行業標準尺寸到更大功率封裝），可以滿足BLDC控制中多樣性的設計需求。

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BLDC開發的“新起點”

看了上面展示的這些安森美的設計資源“拼圖”模塊，你是不是會覺得BLDC方案開發一定能手到擒來？且慢，實際的設計開發過程沒有那么簡單。

據分析，BLDC方案的開發過程，從頭到尾要有數百個決定要做；而令開發者更撓頭的是，需要面對不同的最終客戶，每個客戶都有自己的成本、能效、功率密度、外形尺寸、維護、使用壽命等性能考量，這就讓實現BLDC最終方案的工作量成倍增加。

如果針對每個方案的設計都是從零開始，這時即使你知道擺在你面前的那些技術“拼圖”模塊（也就是可供使用的元器件）都很棒，但是想要將它們最終完美的拼接起來，還是會頗費周折，其復雜性甚至會讓人望而卻步。

為了應對這個難題，安森美推出了一個稱為“新的一階近似值起點”（new 1st order approximation starting point）的解決方案，其核心思路就是建立一個完整的柵極驅動與功率開關器件的（MOSFET / IGBT）匹配表，用5個表格覆蓋從12V到650V、功率分布高達6kW的各種BLDC電機的應用需求，這樣一來開發者根據最終的設計需求快速查詢表格，就能夠按圖索驥鎖定最合適的柵極驅動與功率開關器件組合。

這些表格的清單包括：

BLDC表#1：12V和24V（N-FET）高達1.1kW

BLDC表#2：48V和60V（N-FET）高達1.5kW

BLDC表#3：48V和60V（N-FET）高達3kW

BLDC表#4：300V和400V（IGBT）高達6kW

BLDC表#5：300V、400V和650V （IPM） 高達6 kW

圖8：BLDC表#1 - 12V和24V（N-FET）高達1.1kW（資料來源：安森美）

安森美還提供了一個很好的在線工具，用于構建帶有 IPM（集成功率模塊）的BLDC。用戶輸入15種工作條件，該工具會生成多個詳細的分析表以及12個捕獲關鍵熱和功率性能的圖表。

所有這些舉措，都能夠將BLDC系統的設計從舊的起點（Old Starting Point）向前大大躍升一步，達到一個“新起點”，從這里起步，BLDC的整個開發進程也會因此而大為提速。

總而言之，未來10年BLDC電機的應用將迎來一個穩健而高速的發展期，誰能快速整合起優勢的技術資源，開發出最終應用所需的解決方案，誰就能夠把握住這一市場機遇。而安森美已將拼接BLDC方案所需的基礎產品模塊和高效的設計工具擺在了你面前，玩起BLDC的技術“拼圖”，應該會更加得心應手，事半功倍。

貿澤電子和安森美合作，也將與BLDC相關的一些高質量的技術資料“拼接”在一起，整合在一個在線專題中，想成為BLDC技術“拼圖”高手，你想要的攻略盡在其中，快來看看吧！

責任編輯：haq