電動工具市場的變化，對控制器提出了哪些需求?

編者按：

目前智能控制器已廣泛應(yīng)用于電動工具。作為電動工具上的核心部件，控制器不僅可以大幅提高操作效率，顯著降低空載噪聲和振動，還可以延長電動工具的使用壽命，提高產(chǎn)品的安全性和自動控制功能。伴隨著智能化程度的提升，電動工具行業(yè)對智能控制器產(chǎn)品的需求持續(xù)增長。

為了進一步了解當前電動工具對智能控制器產(chǎn)品的需求變化，本期《對話》以電動工具控制器為主題，邀請電動工具行業(yè)上下游的資深技術(shù)人員就其主控芯片、功率器件、電容等半導(dǎo)體器件性能的要求進行探討，并了解目前上下游間的供應(yīng)關(guān)系以及電動工具控制器的未來應(yīng)用趨勢。

對話問題導(dǎo)覽：

1.根據(jù)目前的市場需求，您認為電動工具控制器的主控芯片升級需滿足怎樣的功能和性能?在控制方式上有什么具體要求?

2.對于功率器件和電容等輔助器件，目前使用在電動工具控制器一般要求滿足怎樣的性能條件?

3.作為電動工具控制器企業(yè)，在與上游半導(dǎo)體器件供應(yīng)商合作過程中，是否對您的工作或者貴公司產(chǎn)生困擾?有何解決辦法?

4.在合作供應(yīng)關(guān)系上，貴公司如何發(fā)揮交期、技術(shù)支持或服務(wù)等方面的優(yōu)勢?

5.能否簡要談?wù)勲妱庸ぞ呖刂破鞯膽?yīng)用趨勢?

對話嘉賓：

1.根據(jù)目前的市場需求，您認為電動工具控制器的主控芯片升級需滿足怎樣的功能和性能?在控制方式上有什么具體要求?

靈動股份胡力興：電動工具是一個非常寬泛的概念，產(chǎn)品的要求和檔次之間差距非常大。其中專業(yè)級和工業(yè)級電動工具會有高轉(zhuǎn)速、大功率、高精度、高效率長壽命的要求，這一類工具通常對主控芯片的算力和可靠性有著較高要求;控制算法上也會根據(jù)不同的應(yīng)用需要進行優(yōu)化。

還有一類是消費級電動工具，它們對可靠性、性價比、高集成會有要求;在部分應(yīng)用領(lǐng)域會需要更多的通信接口支持以便擴展傳感器、無線連接的功能?？刂品绞缴弦詿o感方波控制居多，但終端市場對于噪音、效率以及振動也開始提出要求;部分電動工具開始使用FOC算法控制內(nèi)部的BLDC。

靈動股份的SPIN0280內(nèi)置96MHz的M0內(nèi)核128KB FLASH 3M的ADC，同時有對應(yīng)集成60V和200V預(yù)驅(qū)的芯片，可以覆蓋不同供電電壓與高中低端電動工具應(yīng)用需求。

澎湃微雷江峰：近年來，隨著BLDC的發(fā)展，電動工具主控芯片朝著以下兩個方面發(fā)展。

1)電動工具控制器芯片從8-bit單片機朝32-bit單片機轉(zhuǎn)變。主要由于以下幾方面的原因促成。首先，32-bit單片機的性價比大幅提升，價格已經(jīng)逐步接近8-bit單片機的價格，同時32-bit單片機運算效能大幅提升，有助于客戶產(chǎn)品升級迭代。其次，32-bit單片機，尤其以ARM內(nèi)核為主的產(chǎn)品，通用性強，方便移植，客戶可以快速進行平臺切換。由于前期缺貨的影響，眾多廠家更傾向于選擇兼容性高的產(chǎn)品。最后，部分出口產(chǎn)品需要進行認證或者產(chǎn)品升級的需求，對于控制器的資源要求也隨之增加。

2)由于電動工具控制板的面積小，近年來控制器芯片小型化的趨勢越來越明顯，單片機集成預(yù)驅(qū)，甚至集成LDO成為市場的主流。集成的方案具有以下優(yōu)勢：節(jié)省PCB空間，可以用在更小型化的工具上面;降低BOM成本，提高終端產(chǎn)品的競爭力。

電動工具在控制方式上目前仍以方波驅(qū)動為主。

拓邦股份郝才生：如果需要進一步的升級，可能會往更加集成化和智能化方向。第一，MCU起碼帶有集成化驅(qū)動，但并不意味著集成度越高越好。因為集成度越高，MCU發(fā)熱也就越厲害。第二是主頻要48兆以上;第三是ADC時速盡可能地快。目前ADC主流是一微秒，如果能達到0.75微秒，也算是一個很大的提升。

目前控制方式上，80%的控制器使用的是方波，其余是正弦波。方波中已經(jīng)有90%是無位置，10%還是有位置的，但無感的控制方式占比會越來越大。

博世陳建平：目前面向出口的話，主控芯片的MF接口比較少，要求集成化的程度越來越高?？刂品绞缴希饕且蠓讲刂?。

博世張躍棟：一般普通級的電動工具不會達到正規(guī)級的要求，具備一些基本的控制、調(diào)速等功能，控制電機就差不多了，沒有太多復(fù)雜功能。

領(lǐng)芯微盧權(quán)勝：現(xiàn)在的芯片升級功能需要滿足PWM波、ADC功能、內(nèi)置運放功能等。我們的芯片具有96MHz 32位M0內(nèi)核，支持三種低功耗模式：睡眠模式、停機模式、超低功耗停機模式，三相P/N MOS管柵極驅(qū)動模塊，工業(yè)級工作溫度。在控制方式上需要進行反電動勢檢測，利用方波控制速度環(huán)和電流環(huán)，進行雙環(huán)控制。

東成王浩東：如果電動工具要出口，控制器上的主控芯片要滿足安規(guī)的 SCF軟件認證等要求，在電機控制方面相應(yīng)的功能要相對強大。控制方式方面，方波、弦波控制基本上都可以滿足要求。

華潤微電子李宜東：電動工具目前越來越普及，功能要求產(chǎn)品的扭矩越做越大，并且相對空間已經(jīng)幾乎做到了極致，同時功率器件的輸入電容通常會在幾個nF，1A左右(甚至更大)驅(qū)動能力的Driver集成就顯得非常的必要。目前系統(tǒng)典型的載波頻率在10KHz、16KHz、20KHz，控制環(huán)路信息采集系統(tǒng)運算時間相對較長在us級別，更高的主頻(48MHz甚至以上)已經(jīng)成為趨勢。

另外，工具類分為有刷和無刷兩種架構(gòu)，無刷架構(gòu)控制相對復(fù)雜，但是耐用性、續(xù)航能力方面有明顯優(yōu)勢，再考慮到靜音效果，對MCU處理速度要求更高的FOC方案會對目前主流的方波方案有一定的沖擊。

寶時得湛康：性能可能要求32位的MCU，然后功能就是集成化的程度要高。其他的 App通訊口等都是常規(guī)的，基本上每家做的產(chǎn)品都有?？刂品绞降脑挘径际欠讲ɑ蛘逨OC控制。

安森美楊雪芳：BLDC與ACIM相比，轉(zhuǎn)子慣量較低，不僅更高效，而且能提供更準確的可重復(fù)停止精度。故無刷控制已成為下一代電動工具控制器的首選。安森美(onsemi)創(chuàng)新使用直接扭矩控制(DTFC)弦波控制算法，具有噪聲小，效率高等特點，而且片上ARM-Cotex M0 控制器外還集成了門極驅(qū)動, 電流檢測以及保護電路，提供高效能的同時節(jié)省BOM成本以及PCB布板復(fù)雜度。

衡灝電子郁水華：我們做的是中低端的市場，功能和性能上沒有什么要求，但價格越便宜越好，性價比要好是必須的?？刂品绞缴?，現(xiàn)在主要是方波控制。

2.對于功率器件和電容等輔助器件，目前使用在電動工具控制器一般要求滿足怎樣的性能條件?

東成王浩東：不同的功率器件，各家公司都會有它的選擇標準。拿一般選取標準來說，價格肯定是最主要的因素。其他具體方案要看器件具體的功率或者電壓參數(shù)等。

華潤微電子李宜東：考慮電動工具的使用環(huán)境(如工作時間長、負載重、粉塵(靜電)、地域等因素)，產(chǎn)品處于高溫/低溫、靜電、重載等惡劣因素的籠罩下，對于功率器件就要求更高的結(jié)溫(CRTD045N03L Tjmax=150℃，部分產(chǎn)品可以滿足Tjmax 175℃)，強壯的EAS能力，-40℃低溫Operating，足夠的設(shè)計裕量。

博世陳建平：主要是內(nèi)阻小、電流大。

拓邦股份郝才生：MOS是經(jīng)常用，也是用量最大的。一般要求控制器的結(jié)電容越小越好。因為結(jié)電容越小，就意味著MOS管內(nèi)的開通越理想。如果這些參數(shù)大，寄生的東西越大，會產(chǎn)生一些不可知的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)計難度加大。

針對電容，主要是電解電容的高頻特性要求高，因為電解電容運行時會發(fā)熱。其他貼片電容基本上沒什么大的改進要求。

華瑞微唐紅飛：華瑞微與電動工具控制器主要相關(guān)功率器件的是中低壓Trench MOS,SGT MOS與HV VDMOS(IPM模塊合封)。

中低壓Trench MOS,SGT MOS要優(yōu)化滿足如下參數(shù)要求：1)節(jié)電容要小;2)體二極管FRD反向恢復(fù)時間Trr要小;3)EAS雪崩能力要強。

HV VDMOS(IPM模塊合封)要優(yōu)化滿足如下參數(shù)要求：1)體二極管FRD反向恢復(fù)時間Trr要小;2)EAS雪崩能力要強。

華瑞微針對電機驅(qū)動領(lǐng)域主推物料都有對以上要求做優(yōu)化設(shè)計，更好滿足客戶需求。

寶時得湛康：我覺得這些都是很常規(guī)的器件。對于通用的器件，基本上電壓、電流和溫度滿足要求就可以，還有就是尺寸要小。目前我們還都是用單科模式。因為我們尺寸上有小型化需求，如果有同時集成6顆和IPM的模塊模式，然后本身成本也能與6顆獨立的模式等效，我們是比較歡迎的。

領(lǐng)芯微盧權(quán)勝：功率器件的選型是依據(jù)電機的額定值來確定的，不同電機的電壓和額定值是有差異的，需要根據(jù)設(shè)計方案來確定驅(qū)動器件。目前應(yīng)用廣泛的功率器件是MOSFET和IGBT。電機控制器上所需的電容，需要選擇電容耐壓值達到線路電壓的1.5倍到2倍，我們在選擇輔助器件上會傾向于更貼近極限值且能做到保護的器件，可以滿足效率高、瞬時轉(zhuǎn)矩大、可靠性高等性能，也可以節(jié)約成本。

衡灝電子郁水華：除了產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性，電阻主要滿足35Ω左右。

奧凱普孟唏：大體上要求都差不多。主要看電源板的功率大小以及客戶自己的設(shè)置，因為鋁電解電容是共用元器件，在開關(guān)電源或照明領(lǐng)域都可以共用。如果客戶的電動工具有特殊條件，我們會按照客戶的要求量身定做，但大部分常用電容的應(yīng)用領(lǐng)域都比較多。

3.作為電動工具控制器企業(yè)，在與上游半導(dǎo)體器件供應(yīng)商合作過程中，是否對您的工作或者貴公司產(chǎn)生困擾?有何解決辦法?

拓邦股份郝才生：我們遇到最大的問題，主要是要有學(xué)習(xí)、試錯的過程。因為供應(yīng)商的宣傳跟實際情況還是有出入，我們需要通過實際驗證。有時通過驗證，我們反饋一些他們自己都不知道的問題，然后他們再進行升級。

另外是交付穩(wěn)定性波動比較大，是我們最頭痛的一個大問題。因為受到一些政策和國際形勢的影響特別大，但消費級的器件供應(yīng)明顯好轉(zhuǎn)。

東成王浩東：今年交期好像緩和了一些。大家都知道，去年所有半導(dǎo)體器件的交期都不好。

寶時得湛康：倒還好，我覺得供應(yīng)方面都還正常。

4.在合作供應(yīng)關(guān)系上，貴公司如何發(fā)揮交期、技術(shù)支持或服務(wù)等方面的優(yōu)勢?

靈動股份胡力興：靈動股份針對電動工具應(yīng)用有著為數(shù)眾多的成功案例;同時也有對應(yīng)的解決方案，通過向客戶提供對應(yīng)的方案和參考設(shè)計，幫助客戶方便地開始第一步。

澎湃微雷江峰：澎湃微自成立以來，PT32L031和PT32F30系列產(chǎn)品均可以面向電動工具市場。其中，PT32L031系列已經(jīng)在角磨、電鉆、扳手等產(chǎn)品上面取得量產(chǎn)出貨的成績。PT32F030系列產(chǎn)品支持72MHz的主頻，集成3路OP和2路比較器。同時，我們針對PT32L031系列，可以提供基于方波驅(qū)動的例程及相應(yīng)的電機驅(qū)動板，客戶可以快速上手。未來，我們會提供集成外部驅(qū)動的更具性價比的單芯片方案，適用于小型化的工具。

奧凱普孟唏：目前來說，公司有三個專業(yè)的工廠制造基地，我們的交期比同行要有更大的優(yōu)勢。我們不僅在華南地區(qū)有兩個工廠，而且在安徽的安慶也建有工業(yè)園，服務(wù)于華東地區(qū)的客戶群體，所以技術(shù)支持和服務(wù)方面也會很快響應(yīng)到客戶的需求。

華瑞微唐紅飛：華瑞微自成立以來，始終關(guān)注全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和國內(nèi)客戶需求，依托深厚的產(chǎn)業(yè)資源，憑借創(chuàng)新技術(shù)和市場儲備，產(chǎn)品滿足客戶和供應(yīng)商需求，合作共贏，共同建立中國集成電路生態(tài)圈。

5.能否簡要談?wù)勲妱庸ぞ呖刂破鞯膽?yīng)用趨勢?

靈動股份胡力興：因為電池技術(shù)的快速發(fā)展，工具從有線供電或燃油動力轉(zhuǎn)向電池供電的無繩電動工具。隨著近幾年電動工具的高速發(fā)展，電動工具市場的門檻正在逐步提高。未來針對鋰電池的管理模塊與電控工具的控制模塊都會走向SIP集成。同時消費端對于電動工具的新技術(shù)采用也愿意提供更高的溢價支持，程序的復(fù)雜度所對應(yīng)的FLASH大小與通信接口數(shù)目的要求也會增多。

博世陳建平：肯定是轉(zhuǎn)速快、價格低。目前FOC控制在電動工具上的應(yīng)用意義不大，主流是無刷電機。從長遠來看，無刷電機的使用壽命更長，以后更新?lián)Q代的速度變慢，但總體來講，我對電動工具市場的增長還是比較樂觀的。

東成王浩東：電動工具控制器的集成化程度更高，比如把部分電源和輔助模塊加進去，使線路板面積再進一步縮小，然后從低壓、中壓到高壓，全面覆蓋。目前控制器主控芯片使用的都是COS M0架構(gòu)，后續(xù)價格進一步降低或者工藝更成熟，會把X的架構(gòu)繼續(xù)下放。因為受全球疫情的影響，目前大部分廠商可能都會出現(xiàn)經(jīng)濟下滑的狀態(tài)。未來兩三年的市場態(tài)勢主要還是看國內(nèi)和國際的整體經(jīng)濟情況。

華潤微電子李宜東：首先電動工具以便攜作為主要的賣點，但是便攜也在一定層面上決定了續(xù)航能力，所以輕量化、低能耗(更低的功率器件損耗)將會是工具類產(chǎn)品主要功能的發(fā)展方向;其次現(xiàn)有工具都可以實現(xiàn)基本的應(yīng)用功能，目前市場層面看后續(xù)有增加APP記錄輸出扭矩、電量顯示、故障提醒等軟信息的可能;再者目前工具非常多樣化(如架構(gòu)類似平臺化的電動螺絲刀、電扳手、手槍鉆、電剪刀等等)，現(xiàn)在多功能的工具也已經(jīng)非常普遍，并且可能會進一步多功能結(jié)合。

寶時得湛康：那肯定是體積越來越小，功率密度應(yīng)該是越做越大，然后智能類的功能越來越多。

領(lǐng)芯微盧權(quán)勝：電機控制器的發(fā)展趨勢是軟件固化。我們的芯片內(nèi)部集成運放電路與預(yù)驅(qū)電路，在出廠時已經(jīng)將程序燒入芯片中，程序簡潔，用戶能直接應(yīng)用我們的程序進行調(diào)試，運用簡單而廣泛。它們不僅能夠適應(yīng)大部分的電機控制器，而且能夠提高控制器的反應(yīng)速度，增強可靠性，節(jié)約成本，對于大規(guī)模的生產(chǎn)有重要意義。能耗少，效率高，集成化高將是未來的發(fā)展方向。

拓邦股份郝才生：未來應(yīng)用趨勢的范圍會越來越廣，不僅限于建筑跟木材加工，只要能給人手頭帶來方便的，都有可能實現(xiàn)電動化?？刂破鞯捏w積可能越來越小，成本會壓縮得越來越低，毛利率會越來越透明。但是性價比要求提高了，利潤率會下降，也就是市場已經(jīng)沒有什么暴利了，最終就是優(yōu)勝劣汰。

安森美楊雪芳：隨著信息技術(shù)、材料技術(shù)、能源技術(shù)的進步，電動工具控制器正在進入一個新的發(fā)展階段，體現(xiàn)出節(jié)能化、智能化、無刷化、集成化等發(fā)展趨勢。

奧凱普孟唏：電動工具未來的市場發(fā)展前景應(yīng)該還是很廣闊的，還可以持續(xù)發(fā)展好多年。因為這種工具的應(yīng)用行業(yè)也很多，應(yīng)用范圍比較廣泛。特別是消費類電動工具，未來肯定要不斷更新?lián)Q代。電動工具控制器本身的發(fā)展跟電動工具也是相輔相成的。

結(jié)語：

電動工具作為生活與工作中常用工具，隨著無繩化普及率及智能化水平不斷提高，其控制器占整機產(chǎn)品價值的比例提升。電動工具面向低中高端應(yīng)用，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?yīng)不同的性能和功能要求?？傮w而言，目前電動工具基本上多以方波控制方式為主，對其主控芯片的要求逐步集中在可靠性、穩(wěn)定性和集成度，以及預(yù)驅(qū)、調(diào)速和感應(yīng)聯(lián)網(wǎng)等功能。而在功率器件和電容等輔助器件上，工程師們更加看重產(chǎn)品的安全性、可靠性以及對應(yīng)的參數(shù)要求。

智能控制器產(chǎn)品集成的功能相應(yīng)增多，產(chǎn)品復(fù)雜程度上升，產(chǎn)品附加值也上升。隨著部分市場的成熟和同質(zhì)化競爭，產(chǎn)品同等性能和功能條件下，消費者則更加追求電動工具控制器整體的性價比。

除卻傳統(tǒng)的木材加工、建筑和家庭需求，電功工具的應(yīng)用范圍也會涉及更大范圍。若新材料、新技術(shù)的應(yīng)用得到實質(zhì)性發(fā)展，未來電動工具控制器的集成度越來越高，體積越來越小，節(jié)能高效越來越突出，在性能和外形上都會有很大改觀。

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審核編輯 黃昊宇