作者：Tier Electronics LLC 公司首席执行管 (CEO)Jeffrey Reichard 和德州仪器 (TI) 全球 TMS320C2000™ 市场营销部经理 Andrew Soukup

工程师们必须适应当今以即插即用设计策略为重的市场环境，例如，大多数主力白色家电制造商越来越倾向于将电器子系统（甚至是关键子系统，如马达控制器）视为设备组件。

即插即用设计策略不仅可以控制成本，同时还可使 OEM 厂商的内部设计团队集中精力提供更多附加值，而不用将时间花在完全可以外包给 OEM 的供应商来做的各种不同功能的设计上。

即插即用设计会给供应商增加额外的负担，如电路设计师通常需要完成灵活的子系统组合设计，一般是由主电路组件实现基本功能，一个或多个更小的电路组件为可选接口、功能甚至应用提供定制功能。

在马达控制应用中，处理器的选择非常重要，选择得当则可确保提供足够高的灵活性，从而能够以较低的成本实现各种卓越性能。正是出于这个原因，数字信号处理器 (DSP) 得以广泛使用。

同时，为了在各种不同的情况下实现较低的生产成本，设计师必须采用灵活的设计方法。如果试生产数量能够超过 25 万个单位且基本采用相同的设计，则从工程成本的角度看，该设计最经济。

灵活的马达控制设计

本文中将讨论一种更加灵活的马达控制设计方法，该架构可应用于各种不同的马达控制，也可以稍加修改后用于不间断电源 (UPS)、频率转换器及可变电源等其他应用。

对于这种特殊的白色家电马达控制应用， 当生产量达到 25 万以上时， 1 马力的马达（用于洗衣机），其成本应控制在 15 美元左右。设计必须非常灵活，以满足大到 5 马力的马达（用于家用空调）小到 0.5 马力的马达（用于垃圾处理机）的不同需要。

模块要求

数字信号处理器 (DSP) 及智能电源模块 (IPM) 是设计中的关键组件，这两个组件协同工作，几乎提供了所有的设计功能。IPM 所需电流、电压范围分别是 3～50 A 和600 VDC～1200 VDC。DIP 或 SIP 封装的选择取决于成本控制要求。

IPM 的驱动器直接与 IGBT 相匹配简化了设计过程，这种精巧的设计减少了组件的数量，降低了开关损耗，比需要外部驱动电路的设计更可靠。

目前已经上市的部分 IPM 产品内置了欠压、过压、过电流、过温以及贯通电流等一系列的保护模式，选择使用这样的 IPM 可以减少所需部件的数量、缩短工程设计周期，从而降低最终产品成本。图 1 为典型 IPM 的结构图。

图 1. 内置保护电路的 IPM（适用于灵活的马达控制设计）

处理器要求

对处理器的要求非常严格。要实现无刷 DC 马达的磁场定向控制 (FOC)，就需要使用具备信号处理能力的 DSP，DSP 既要达到 MCU 功能集成的正常水平，也要使价格足够低廉以应用到感应马达中。诸如在 TI 的 TMS320C2000 平台中可以看到的数字信号控制器就是专门为上述应用而设计的。控制器的选择取决于成本、性能以及生产需要等因素。

控制得到优化的高速 DSP器件能够在预定 PWM 模式下读取电流和电压信号，因而在与内部 A/D 配合工作及 PWM 强制状态下，可以采用简单传感器计算单相桥臂电流和电压。DSP 具备的高速功能使设计团队得以用更便宜的非隔离式传感器取代昂贵的隔离式传感器。

诸如快速A/D、多通信通道、PWM 调制器以及高速运行等集成功能是实现附加值的关键。采用具有上述功能的 DSP 不仅能够缩短设计周期、降低单位成本，而且还可缩短生产周期。例如，通信通道中的 CAN （控制器局域网）可在生产过程中实现自动测试及校准数据交换。

家电设备内部部件与用户接口之间的无触点（主要指红外线）连接可以实现安全的调节操作，毫无疑问，RS-232 接口也非常适用于无触点控制，因为其具有宽泛的速度与控制调节范围，RS-232 接口是此类通信的最佳选择之一。另外，无触点控制基本消除了耦合电容，从而降低了 EMI 的影响。

拓扑结构与封装

带有单个低侧电流传感电阻、NTC 温度传感器、IPM 电源器件及 DSP 控制器的三相设计构成了基本的拓扑结构。只要对 DSP 重新编程或通过多种常驻程序，就可以将上述拓扑修改用于两相或单相马达。

有了快速A/D 转换器则无需使用差动放大器进行电压反馈测试。模数转换器 (ADC) 及 DSP 的精确度与速度可确保在没有差动放大器的情况下对通道顺序读取。DSP 引起的信号误差非常小，原因是采样信号的周期很接近 500ns。

认真进行系统分组在封装中同等重要，白色家电制造商将电源控制器视为即插即用组件，但却缺乏统一的电器规范，尤其是对于不同应用及 OEM 采用的 PCB 尺寸相差很大时缺乏统一的电器规范。出于成本考虑，应该统一规范标准，根据不同应用的特点在此标准之上作微小的调整。

将 DSP 及其支持组件视作单一组件，并将这些功能集成在很小的 PCB 板上（将IPM 模块及其相关电源组件集成在主 PCB 板上），这样就完成了极具灵活性的设计。主PCB 板包含 IPM 以及其他器件（这些组件因制造商、电压、电源级别不同而不同）。使用通孔组件及DSP组件是一种简单直接的设计方法，可以方便更换其中的DSP组件而无需改动制造流程。

由于每一种转换器应用都使用相同的 DSP PCB，因而能够进行大规模生产。然后将其安装到各种不同的已配置了合适 IPM 的主 PCB 板上即可。

部件数量及可靠性

图2 对 MCU/分立元件传统设计与新设计进行了比较。从图中可见，DSP/IPM 设计所需部件的数量比传统设计少了一半。

图2. 部件数量比较

减少组件数量可以提高 MTBF 参数值，另外，使用 DSP PCB 组装方法可以降低主PCB板上的机械应力，原因是消除了热应力（与共用 PCB 板上的特性差异很大的各种组件紧密相关）。采用特殊的 IPM 以及使用一个传感器替代MCU/分立元件设计中的三个传感器的做法提高了电路保护能力，使用DSP 的快速A/D 还可以省去差动放大器。图 3 列举了几个与可靠性相关的参数。

图 3. 减少组件可以提高可靠性

低成本、多功能

采用功能更强、集成度更高的组件，可以减少部件数量、降低生产成本及工程成本。马达控制器的即插即用以及双板系统提高了制造的灵活性，从而进一步降低了单位成本。

这种方法也有助于适应从小到大各种不同批量的生产规模，同时还可维持较高的经济性。就性能而言，使用高级 DSP 及 IPM 组件的最新设计方法与基于 MCU 和分立元件的传统设计方法相比可以提高30% 的效率。最后，部件数量的减少还提高了系统的可靠性。