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)上下游的資深技術人員就其主控芯片、功率器件、電容等半導體器件性能的要求進行探討，并了解目前上下游間的供應關系以及電動工具控制器的未來應用趨勢。

對話問題導覽：

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)，在與上游半導體器件供應商合作過程中，是否對您的工作或者貴公司產生困擾?有何解決辦法?

4.在合作供應關系上，貴公司如何發(fā)揮交期、技術支持或服務等方面的優(yōu)勢?

5.能否簡要談談電動工具控制器的應用趨勢?

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;在部分應用領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算法控制內部的BLDC。

靈動股份的SPIN0280內置96MHz的M0內核128KB FLASH 3M的ADC，同時有對應集成60V和200V預驅的芯片，可以覆蓋不同供電電壓與高中低端電動工具應用需求。

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，有助于客戶產品升級迭代。其次，32-bit單片機，尤其以ARM內核為主的產品，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品。最后，部分出口產品需要進行認證或者產品升級的需求，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，單片機集成預驅，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，提高終端產品的競爭力。

電動工具在控制方式上目前仍以方波驅動為主。

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。控制方式上，主要是要求方波控制。

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、調速等功能，控制電機就差不多了，沒有太多復雜功能。

領芯微盧權勝：現(xiàn)在的芯片升級功能需要滿足PWM波、ADC功能、內置運放功能等。我們的芯片具有96MHz 32位M0內核，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的功能要相對強大?？刂品绞椒矫?，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，無刷架構控制相對復雜，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，基本上每家做的產品都有?？刂品绞降脑?，基本都是方波或者FOC控制。

安森美楊雪芳：BLDC與ACIM相比，轉子慣量較低，不僅更高效，而且能提供更準確的可重復停止精度。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。控制方式上，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溫(CRTD045N03L Tjmax=150℃，部分產品可以滿足Tjmax 175℃)，強壯的EAS能力，-40℃低溫Operating，足夠的設計裕量。

博世陳建平：主要是內阻小、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電容越小越好。因為結電容越小，就意味著MOS管內的開通越理想。如果這些參數(shù)大，寄生的東西越大，會產生一些不可知的現(xiàn)象，導致設計難度加大。

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反向恢復時間Trr要小;2)EAS雪崩能力要強。

華瑞微針對電機驅動領域主推物料都有對以上要求做優(yōu)化設計，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。

領芯微盧權勝：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)設計方案來確定驅動器件。目前應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置，因為鋁電解電容是共用元器件，在開關電源或照明領域都可以共用。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用領域都比較多。

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

拓邦股份郝才生：我們遇到最大的問題，主要是要有學習、試錯的過程。因為供應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明顯好轉。

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

寶時得湛康：倒還好，我覺得供應方面都還正常。

4.在合作供應關系上，貴公司如何發(fā)揮交期、技術支持或服務等方面的優(yōu)勢?

靈動股份胡力興：靈動股份針對電動工具應用有著為數(shù)眾多的成功案例;同時也有對應的解決方案，通過向客戶提供對應的方案和參考設計，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、扳手等產品上面取得量產出貨的成績。PT32F030系列產品支持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動的例程及相應的電機驅動板，客戶可以快速上手。未來，我們會提供集成外部驅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，服務于華東地區(qū)的客戶群體，所以技術支持和服務方面也會很快響應到客戶的需求。

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

5.能否簡要談談電動工具控制器的應用趨勢?

靈動股份胡力興：因為電池技術的快速發(fā)展，工具從有線供電或燃油動力轉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采用也愿意提供更高的溢價支持，程序的復雜度所對應的FLASH大小與通信接口數(shù)目的要求也會增多。

博世陳建平：肯定是轉速快、價格低。目前FOC控制在電動工具上的應用意義不大，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，后續(xù)價格進一步降低或者工藝更成熟，會把X的架構繼續(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合。

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

領芯微盧權勝：電機控制器的發(fā)展趨勢是軟件固化。我們的芯片內部集成運放電路與預驅電路，在出廠時已經(jīng)將程序燒入芯片中，程序簡潔，用戶能直接應用我們的程序進行調試，運用簡單而廣泛。它們不僅能夠適應大部分的電機控制器，而且能夠提高控制器的反應速度，增強可靠性，節(jié)約成本，對于大規(guī)模的生產有重要意義。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。控制器的體積可能越來越小，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、材料技術、能源技術的進步，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。因為這種工具的應用行業(yè)也很多，應用范圍比較廣泛。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，其控制器占整機產品價值的比例提升。電動工具面向低中高端應用，不同的應用領域對應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，以及預驅、調速和感應聯(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品的安全性、可靠性以及對應的參數(shù)要求。

智能控制器產品集成的功能相應增多，產品復雜程度上升，產品附加值也上升。隨著部分市場的成熟和同質化競爭，產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，電功工具的應用范圍也會涉及更大范圍。若新材料、新技術的應用得到實質性發(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