MPS做一體化電機驅(qū)動方案有三絕招

    美國MPS擁有一體化和全集成的電機驅(qū)動方案。不久前，電子產(chǎn)品世界等媒體在上海訪問了MPS全球電機驅(qū)動產(chǎn)品線的產(chǎn)品總監(jiān)翟松先生。

    所謂全集成，就是把電機的電路部分整合在一起，變成一體化（如下圖左側(cè)），包括電機（例如無刷直流或者永磁同步）、控制芯片、功率級，再加上人性化的軟件。

    另外，如果客戶本身就是做BLDC電機的，還可以直接采購MPS的控制模塊（如上圖右側(cè)），包括FOC的控制、磁性編碼器以及功率級，還包括通信的接口等，然后直接裝到現(xiàn)有的BLDC/同步電機里面，這樣的電機就會變成一個完整的一體化電機。
    據(jù)悉，MPS主要關(guān)注電壓200V、功率500W以下，且可以高度集成的電機產(chǎn)品。目前該公司展示了2種模塊，如上圖右側(cè)的57mm和42mm的產(chǎn)品，后續(xù)會推出更多的產(chǎn)品，以針對不同的尺寸的電機。

    1 實現(xiàn)“一體化”的三個硬核
    做電機的公司那么多，年輕的MPS有何過人之處？翟松總監(jiān)稱，主要有三大優(yōu)勢：半導(dǎo)體工藝、封裝工藝和磁編技術(shù)。
    公司成立于1997年，二十多年來，電源和電機產(chǎn)品涵蓋各個領(lǐng)域，總共超過2000種，每年會推出50~100種新品，根基是兩大核心技術(shù)——工藝和封裝。那么，MPS沒有自己的工廠，是如何實現(xiàn)其獨有的工藝和封裝呢？

    在芯片制造方面，采用Fab-lite模式：不使用代工廠提供的制程，而是自己研發(fā)制程。好處是既能全部采用自己的制程，又不需要很高的投入。
    在封裝方面，MPS會采用外部的封裝廠，但是和其他公司不一樣的是，MPS所有的final test（最終測試）全部在自己的位于成都的工廠完成，以保證產(chǎn)品的品質(zhì)。
    MPS于2012年推出了電機產(chǎn)品線，正式進軍電機市場。為了有“一招鮮”，2014年收購了世界上最先進的磁編碼器公司瑞士Sensima，希望以此在強手如林的電機市場“吃遍天”。
    1.1  工藝——獨特的DMOS技術(shù)
    MPS是如何將所有的電源系統(tǒng)集成在一個芯片上的呢？該公司有自己的制程。因為MPS做的是模擬和數(shù)字模擬結(jié)合的混合信號產(chǎn)品，采用的是BCD（Bipolar，CMOS，DMOS）工藝。其中的DMOS就是功率器件的工藝，它是MPS公司產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵?，F(xiàn)在最先進的是第五代——BCD5是2017年推出的（如下圖）。

    1997年，MPS的創(chuàng)始人兼CEO（首席執(zhí)行官）Michael Hsing先生擁有一種獨創(chuàng)的BCD工藝，因此在美國硅谷創(chuàng)立了MPS。這種技術(shù)可把功率器件和控制邏輯集成在一個芯片上。
    那么，MPS的BCD到底有什么獨到之處呢？這涉及到如何判斷BCD是否先進？通常有一個指標(biāo)R_dsA。眾所周知，R_ds是源極到漏級之間的導(dǎo)通電阻，如果想要把電阻做得很低，就要把硅的面積做大；但是如果只是單純地靠把面積做大來降低導(dǎo)通電阻，會存在一些問題，首先是成本，其次是面積做大以后，開關(guān)損耗也會增加。為了衡量BCD工藝的好壞，業(yè)內(nèi)有R_dsA指標(biāo)，即“導(dǎo)通電阻×面積”。
    MPS能在同樣的面積上，導(dǎo)通電阻做得比友商的低，即R_dsA更低，表明MPS的工藝是先進的。實際上，從第一代開始，MPS就在R_dsA方面領(lǐng)先業(yè)界，這也是MPS在業(yè)內(nèi)不斷成長，處于不敗地位的關(guān)鍵。

    1.2  Mesh Connect?封裝工藝
    封裝工藝在集成電路里也是非常關(guān)鍵的，特別是對功率器件。
    通常的封裝工藝是采用打線的方式，如打金線或打銅線連到管腳，但是不管是打金線還是打銅線，都有一定的導(dǎo)通電阻，而且線會引起寄生電感，產(chǎn)生噪聲，從而影響開關(guān)的速度。
    為此，MPS在2011年左右推出了獨特工藝——Mesh Connect?（如下圖）。它很像BGA的工藝，但是把BGA芯片反過來，倒放在引線框（Lead frame）上，通過焊球直接連接，這樣可以省掉線的部分，優(yōu)勢是不僅降低成本，還可以把導(dǎo)通電阻完全消除掉，也不再有寄生的電感影響開關(guān)速度。

    如果采用同樣的3×3mm²封裝，使用“Mesh Connect?”工藝后，可以放更多的Die（晶片），且達到更低的導(dǎo)通電阻。
    MPS是在業(yè)界最先使用“Mesh Connect?”技術(shù)的，現(xiàn)在才有友商開始追趕，但是MPS的“Mesh Connect?”技術(shù)始終居于領(lǐng)先地位。

    1.3  位置傳感器的磁編
    MPS公司成立了22年，在歷史上只有一次并購，即2014收購了瑞士Sensima的公司。
    因為2012年MPS成立了電機產(chǎn)品線，開始正式進軍電機市場。為了獲得獨有技術(shù)，看中了規(guī)模不大的Sensima公司，因為該公司有世界頂級的磁性編碼器技術(shù)，該技術(shù)是瑞士理工大學(xué)的教授和其博士生一起開發(fā)的，現(xiàn)在目前在市面上也可以看到不同的公司的磁性編碼器，其技術(shù)最初都是從瑞士理工大學(xué)取得的License（許可證）。
    為何磁編很重要？因為一個伺服系統(tǒng)里，除了要有電機本身和power stage（功率級）以外，還需要編碼器來做位置和速度的檢測。目前大部分都是用光編。光編的好處是有非常高的精度，但是缺點是體積大，價格較貴，怕灰塵，例如如果室外灰塵很大（因為中國北方的風(fēng)沙比較大），如果灰塵落到光編的光柵上面，阻擋住了光線，它的精度一下子就降低了，而磁編就不會存在這些問題。磁編體積小，價格便宜，而且不會受到灰塵的影響。 
    當(dāng)然這并不意味著磁編可以完全取代光編。但是對于大部分中低端的應(yīng)用，如果不需要非常高的定位精度，其實磁編是個更好的選擇。
    例如下圖，MPS的板子上都帶了驅(qū)動，包括磁編也是放在這個板子上，客戶所要做的就是在電機的軸端加一塊磁鐵，這樣就可以感應(yīng)到轉(zhuǎn)軸的位置，其他所有的編碼器、傳感器、功率級等都集成到IC里，就變成了一體化電機。而且這些附加的部分很小，跟通常的伺服電機比起來，體積非常小，不會影響到整個外形的尺寸。

    2  MPS的產(chǎn)品系列
    具體地，MPS以功率器件/電源產(chǎn)品為主，主要有AC/DC、 DC/DC、電池管理、D類功放、LED背光，應(yīng)用于汽車、工業(yè)、電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域。
    在電機驅(qū)動以及位置傳感器相關(guān)的方面，即 “e-Motion”控制。是MPS非常重視和高投入的領(lǐng)域。

    目前MPS看好的電機驅(qū)動的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，有打印機、電動工具、電動車、風(fēng)扇、醫(yī)療設(shè)備。
    提到電機驅(qū)動，就不得不提MPS的“e-Motion”。其實e-Motion”不是一款I(lǐng)C或產(chǎn)品，它是一個概念，包括全集成的硬件和人性化的軟件。
    眾所周知，對于馬達驅(qū)動來講，必不可少的幾個部分首先是電機，把電能轉(zhuǎn)換成動能，電機需要控制，因此就需要控制芯片，控制芯片可以是MCU，也可以是DSP或者是ASIC；另外還有Power stage（功率級），可以把直流電轉(zhuǎn)成電機所需要的電能，相當(dāng)于一個功率放大的作用。

    所謂的全集成，就是把這些全部整合在一起，變成一體化，包括電機（比如無刷直流或者永磁同步）、控制芯片、功率級，再加上人性化的軟件，這樣完整的一套方案就是“e-Motion”的概念。
    下圖右側(cè)的的電機看起來和普通電機并沒有什么差別，但是這里面其實已經(jīng)包含了前文所述的控制芯片、位置傳感器和功率級（下圖左）。用戶所需要做的就是給電機供電（電源線）并接上數(shù)據(jù)線，它就可以按照用戶的意思運轉(zhuǎn)，控制角度、位置、轉(zhuǎn)速，甚至轉(zhuǎn)矩。而一般的電機是沒有辦法做到的。

    3  總結(jié)
    一體化電機本身用起來很簡單，你只要連上電源線，有個通信的接口就可以用了。如果需要調(diào)整或設(shè)置參數(shù)的話，就要用到MPS的智能電機軟件GUI，通過一個通信接口的盒子連到電腦上，完全是用graphic來做，使用起來很方便。
   目前MPS智能馬達的產(chǎn)品，功率等級從40W到200W都有。對于模塊，同樣MPS也是有不同的功率等級和不同的尺寸。

圖：MPS上海辦公室展示的各種電機及模塊產(chǎn)品