Qorvo芯片在便攜式手持吸塵器的妙用

最近幾年，在 Dyson 的帶動(dòng)下，便攜式手持吸塵器市場(chǎng)有了迅猛的發(fā)展。但從市場(chǎng)上的反應(yīng)看來，這類吸塵器的價(jià)格千差萬別，而在使用體驗(yàn)上更是一言難盡。為了讓大家對(duì)眼花繚亂的手持吸塵器有更深入的了解。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塵器，希望能大家提供更多的參考。

大多數(shù)讀者都知道，Qorvo 是射頻領(lǐng)域的專家，但其實(shí)在去年收購了專注于電源管理與智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片公司 Active-Semi 之后，Qorvo 就在相關(guān)領(lǐng)域加強(qiáng)了布局。本文中提到的這顆芯片就是來自 Active-Semi 的產(chǎn)品。

在拆解之前，我們先來說一下手持吸塵器的工作原理。

相關(guān)資料顯示，手持式吸塵器能除塵，主要在于它的“頭部”裝有一個(gè)電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)。抽風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上有風(fēng)葉輪，通電后，抽風(fēng)時(shí)電機(jī)以每分高達(dá) 10 萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速發(fā)生極強(qiáng)的吸力和壓力，在吸力和壓力的效果下，空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵有空氣不斷地彌補(bǔ)風(fēng)機(jī)中的空氣，致使手持式吸塵器內(nèi)部發(fā)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓刷、長(zhǎng)接收、彎管、軟管、軟管接頭進(jìn)入濾塵袋，塵土等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，由機(jī)體尾部排出。

由此可以看到，為了實(shí)現(xiàn)更好的吸塵目的，我們就需要一個(gè)關(guān)鍵的部件，那就是無刷電機(jī)，這是吸塵器吸力的重要倚仗。而在實(shí)際使用過程中，為了提升手持吸塵器的體驗(yàn)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，我們要求無刷電機(jī)能夠做到四點(diǎn)，分別是：超高轉(zhuǎn)速、恒功率控制及保護(hù)、快速啟動(dòng)和低成本，因?yàn)橹挥羞@樣才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中取得領(lǐng)先。

而要做到以上幾點(diǎn)，一個(gè)好的無刷電機(jī)控制芯片是關(guān)鍵。

這個(gè)產(chǎn)品采用了 Qorvo 的 CST32251 芯片，這是一顆高度集成的電機(jī)控制 SoC，將電源管理、50MHz Cortex-M0 的 MCU、柵極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)放比較器等集成到同一個(gè)芯片里面。用這顆芯片及外圍 MOSFET 就可以設(shè)計(jì)出非常簡(jiǎn)潔緊湊的電機(jī)控制板。手持吸塵器的電機(jī)控制板和電機(jī)安裝在一起，要求電機(jī)控制板尺寸盡量小。這種高度集成的方案能很好的解決這個(gè)難題。

為了讓大家看到 Qorvo 這顆芯片在無刷電機(jī)控制中的真正表現(xiàn)，本文針對(duì)上述四點(diǎn)，做了一些實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)披露，給大家?guī)砀庇^的體驗(yàn)。

1、超高轉(zhuǎn)速

無刷電機(jī)控制對(duì) MCU 的運(yùn)算能力、ADC 和 PWM 的性能都有較高要求。尤其是高速吸塵器的機(jī)械轉(zhuǎn)速高達(dá) 150KRPM, 對(duì)應(yīng)到電頻率則會(huì)高達(dá) 2.5KHz。那就意味著如果控制頻率也按 25KHz 來算的話，那么 MCU 就需要有較強(qiáng)的計(jì)算能力。為了實(shí)現(xiàn)更好性能的 FOC 控制，我們還要求 ADC 擁有更高的的采樣速度和精度，PWM 的分辨率也是越高越好。在無刷電機(jī)控制，也需要優(yōu)化 FOC 算法，這樣就能減少運(yùn)算時(shí)間。以上正是 Qorvo 這顆芯片所具備的。

據(jù)了解，PAC 采用的性能一般的 Cortex-M0 內(nèi)核，主頻為 50MHz，為了實(shí)現(xiàn)較高的控制頻率，需要盡可能對(duì) FOC 的算法進(jìn)行優(yōu)化和精簡(jiǎn)，以減少每次 FOC 運(yùn)算的占用時(shí)間。

以本文拆解的產(chǎn)品為例,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了 12.5KRPM，這已經(jīng)是目前行業(yè)最頂尖的水準(zhǔn)。

2. 恒功率控制及保護(hù)

對(duì)于一款無刷電機(jī)控制器，準(zhǔn)確的功率計(jì)算和控制方法也是很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，才能讓你在恒功率控制的使用場(chǎng)景下，可以在吸塵器不同工況（風(fēng)道變化，電池電壓的變化）下保持恒定的功率輸出的同時(shí)，還能保持除塵能力。在這方面，國產(chǎn)方案表現(xiàn)得不怎么好，或者干脆沒有，但 Qorvo 的這顆芯片在這個(gè)方面表現(xiàn)出色。

（在電池放電周期內(nèi)，電池電壓緩慢下降的情況下，驅(qū)動(dòng)器功率恒定在 176w，功率波動(dòng)在 1W 以內(nèi)）

除此之外，Qorvo 這顆芯片還有完善的保護(hù)措施，當(dāng)中包括了過壓、欠壓、過流、堵轉(zhuǎn)、開路保護(hù)、內(nèi)部電源監(jiān)控及保護(hù)、Cycle-By-Cycle 限流、過溫等。而對(duì)電源和溫度進(jìn)行監(jiān)控和故障保護(hù)，也讓整個(gè)方案的安全性有了進(jìn)一步的提升。

據(jù)介紹，PAC 內(nèi)部集成了多個(gè)內(nèi)部電源監(jiān)測(cè)的功能和溫度檢測(cè)功能，可以用 ADC 去采樣內(nèi)部電源或者復(fù)位芯片，同時(shí)芯片過溫的話，會(huì)觸發(fā) MCU 復(fù)位事件 .

在這顆芯片的支持下，吸塵器能夠持續(xù)的在 12 萬多轉(zhuǎn)的速度還能保持度準(zhǔn)確的功率計(jì)算和控制方法，在多維度的安全方面也得到了保證，這是非常難完成的一個(gè)挑戰(zhàn)。

3. 快速啟動(dòng)

為了優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)算法，Qorvo 在這個(gè)芯片中采用了如高頻注入等新的啟動(dòng)方式。所謂高頻注入，是指在啟動(dòng)之前在電機(jī)中注入高頻的信號(hào)用于檢測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，可以實(shí)現(xiàn)無反轉(zhuǎn)及快速啟動(dòng)。在這個(gè)設(shè)計(jì)的助推下，這款產(chǎn)品達(dá)到了瞬間啟動(dòng),啟動(dòng)速度在 0.5S 左右 .

4. 低成本

對(duì)于現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，成本會(huì)是衡量一個(gè)方案選型的重要參考，而這也是 Qorvo 這顆芯片能夠提供的。

由于 PAC 電機(jī)控制芯片內(nèi)部集成了電源、柵極驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放、比較器等，這種高集成度的芯片將原來放在外部的分立器件都集成到一顆芯片里面，所以 PCB 面積小了，相對(duì)應(yīng)的 BOM 成本就低了。這個(gè)高集成度還減少了分立器件帶來的系統(tǒng)失效率和返修率 .

值得一提的是，這個(gè)方案采用了單電阻做 Sensorless FOC 控制 . 不同于之前的 3 顆采樣電阻做電流重構(gòu)的方案，單電阻采樣的方式能進(jìn)一步降低成本。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)算法有比較高的要求，Qorvo 能夠提供針對(duì)單電阻算法完整的控制策略和代碼。。

另外，從實(shí)際測(cè)試中看來，這個(gè)方案的功耗也能提供很亮眼的表現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，PAC 休眠模式下功耗為 12uA，整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)功耗表現(xiàn)也很亮眼。

審核編輯 黃昊宇