最新一体化电机驱动技术大曝光

不久前，电子产品世界等媒体在上海访问了MPS全球电机驱动产品线的产品总监翟松先生。

所谓全集成，就是把电机的电路部分整合在一起，变成一体化(如下图左侧)，包括电机(例如无刷直流或者永磁同步)、控制芯片、功率级，再加上人性化的软件。

另外，如果客户本身就是做BLDC电机的，还可以直接采购MPS的控制模块(如上图右侧)，包括FOC的控制、磁性编码器以及功率级，还包括通信的接口等，然后直接装到现有的BLDC/同步电机里面，这样的电机就会变成一个完整的一体化电机。

据悉，MPS主要关注电压200V、功率500W以下，且可以高度集成的电机产品。目前该公司展示了2种模块，如上图右侧的57mm和42mm的产品，后续会推出更多的产品，以针对不同的尺寸的电机。

1 实现“一体化”的三个硬核

做电机的公司那么多，年轻的MPS有何过人之处?翟松总监称，主要有三大优势：半导体工艺、封装工艺和磁编技术。

公司成立于1997年，二十多年来，电源和电机产品涵盖各个领域，总共超过2000种，每年会推出50~100种新品，根基是两大核心技术——工艺和封装。那么，MPS没有自己的工厂，是如何实现其独有的工艺和封装呢?

在芯片制造方面，采用Fab-lite模式：不使用代工厂提供的制程，而是自己研发制程。好处是既能全部采用自己的制程，又不需要很高的投入。

在封装方面，MPS会采用外部的封装厂，但是和其他公司不一样的是，MPS所有的final test(最终测试)全部在自己的位于成都的工厂完成，以保证产品的品质。

MPS于2012年推出了电机产品线，正式进军电机市场。为了有“一招鲜”，2014年收购了世界上最先进的磁编码器公司瑞士Sensima，希望以此在强手如林的电机市场“吃遍天”。

1.1 工艺——独特的DMOS技术

MPS是如何将所有的电源系统集成在一个芯片上的呢?该公司有自己的制程。因为MPS做的是模拟和数字模拟结合的混合信号产品，采用的是BCD(Bipolar，CMOS，DMOS)工艺。其中的DMOS就是功率器件的工艺，它是MPS公司产品差异化的关键。现在最先进的是第五代——BCD5是2017年推出的(如下图)。

1997年，MPS的创始人兼CEO(首席执行官)Michael Hsing先生拥有一种独创的BCD工艺，因此在美国硅谷创立了MPS。这种技术可把功率器件和控制逻辑集成在一个芯片上。

那么，MPS的BCD到底有什么独到之处呢?这涉及到如何判断BCD是否先进?通常有一个指标RdsA。众所周知，Rds是源极到漏级之间的导通电阻，如果想要把电阻做得很低，就要把硅的面积做大;但是如果只是单纯地靠把面积做大来降低导通电阻，会存在一些问题，首先是成本，其次是面积做大以后，开关损耗也会增加。为了衡量BCD工艺的好坏，业内有RdsA指标，即“导通电阻×面积”。

MPS能在同样的面积上，导通电阻做得比友商的低，即RdsA更低，表明MPS的工艺是先进的。实际上，从第一代开始，MPS就在RdsA方面领先业界，这也是MPS在业内不断成长，处于不败地位的关键。

1.2 Mesh Connect™封装工艺

封装工艺在集成电路里也是非常关键的，特别是对功率器件。

通常的封装工艺是采用打线的方式，如打金线或打铜线连到管脚，但是不管是打金线还是打铜线，都有一定的导通电阻，而且线会引起寄生电感，产生噪声，从而影响开关的速度。

为此，MPS在2011年左右推出了独特工艺——Mesh Connect™(如下图)。它很像BGA的工艺，但是把BGA芯片反过来，倒放在引线框(Lead frame)上，通过焊球直接连接，这样可以省掉线的部分，优势是不仅降低成本，还可以把导通电阻完全消除掉，也不再有寄生的电感影响开关速度。

如果采用同样的3×3mm2封装，使用“Mesh Connect™”工艺后，可以放更多的Die(晶片)，且达到更低的导通电阻。

MPS是在业界最先使用“Mesh Connect™”技术的，现在才有友商开始追赶，但是MPS的“Mesh Connect™”技术始终居于领先地位。

1.3 位置传感器的磁编

MPS公司成立了22年，在历史上只有一次并购，即2014收购了瑞士Sensima的公司。

因为2012年MPS成立了电机产品线，开始正式进军电机市场。为了获得独有技术，看中了规模不大的Sensima公司，因为该公司有世界顶级的磁性编码器技术，该技术是瑞士理工大学的教授和其博士生一起开发的，现在目前在市面上也可以看到不同的公司的磁性编码器，其技术最初都是从瑞士理工大学取得的License(许可证)。

为何磁编很重要?因为一个伺服系统里，除了要有电机本身和power stage(功率级)以外，还需要编码器来做位置和速度的检测。目前大部分都是用光编。光编的好处是有非常高的精度，但是缺点是体积大，价格较贵，怕灰尘，例如如果室外灰尘很大(因为中国北方的风沙比较大)，如果灰尘落到光编的光栅上面，阻挡住了光线，它的精度一下子就降低了，而磁编就不会存在这些问题。磁编体积小，价格便宜，而且不会受到灰尘的影响。

当然这并不意味着磁编可以完全取代光编。但是对于大部分中低端的应用，如果不需要非常高的定位精度，其实磁编是个更好的选择。

例如下图，MPS的板子上都带了驱动，包括磁编也是放在这个板子上，客户所要做的就是在电机的轴端加一块磁铁，这样就可以感应到转轴的位置，其他所有的编码器、传感器、功率级等都集成到IC里，就变成了一体化电机。而且这些附加的部分很小，跟通常的伺服电机比起来，体积非常小，不会影响到整个外形的尺寸。

具体地，MPS以功率器件/电源产品为主，主要有AC/DC、 DC/DC、电池管理、D类功放、LED背光，应用于汽车、工业、电脑、服务器等领域。

在电机驱动以及位置传感器相关的方面，即 “e-Motion”控制。是MPS非常重视和高投入的领域。

目前MPS看好的电机驱动的目标应用领域很广，有打印机、电动工具、电动车、风扇、医疗设备。

提到电机驱动，就不得不提MPS的“e-Motion”。其实e-Motion”不是一款IC或产品，它是一个概念，包括全集成的硬件和人性化的软件。

众所周知，对于马达驱动来讲，必不可少的几个部分首先是电机，把电能转换成动能，电机需要控制，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;另外还有Power stage(功率级)，可以把直流电转成电机所需要的电能，相当于一个功率放大的作用。

所谓的全集成，就是把这些全部整合在一起，变成一体化，包括电机(比如无刷直流或者永磁同步)、控制芯片、功率级，再加上人性化的软件，这样完整的一套方案就是“e-Motion”的概念。

下图右侧的的电机看起来和普通电机并没有什么差别，但是这里面其实已经包含了前文所述的控制芯片、位置传感器和功率级(下图左)。用户所需要做的就是给电机供电(电源线)并接上数据线，它就可以按照用户的意思运转，控制角度、位置、转速，甚至转矩。而一般的电机是没有办法做到的。

3 总结

一体化电机本身用起来很简单，你只要连上电源线，有个通信的接口就可以用了。如果需要调整或设置参数的话，就要用到MPS的智能电机软件GUI，通过一个通信接口的盒子连到电脑上，完全是用graphic来做，使用起来很方便。

目前MPS智能马达的产品，功率等级从40W到200W都有。对于模块，同样MPS也是有不同的功率等级和不同的尺寸。