節(jié)能減排的議題在國際舞臺中不斷地受到重視，其目的就是為了防止環(huán)境污染繼續(xù)惡化、改善氣候劇烈變動，以及在地球有限資源情況下訂定條款并相互約束。在普通消費者看來，節(jié)能減排無非就是隨手關閉電源，或搭乘公共交通系統(tǒng)，以便減少資源的浪費及實現(xiàn)資源回收再利用等目的。但是除了這些隨手可以實現(xiàn)的動作之外，另一個根本問題就是如何提高能源使用效率。美國 EPRI就曾指出，全球電機所耗費的金額一年高達950億美金，占了所有電力51%；其次是照明19%，冷卻/供暖16%， IT 14%。

無論是工業(yè)、家庭還是商業(yè)用電，電機所消耗的能源都占有很高的比例。以中國臺灣2007年的工業(yè)用電為1172億度為例，電機用電約820億度，占了總體用電的70%。如果改善電機系統(tǒng)的輸出、輸入功率比，就可以提高用電效率。

所以各個國家或者地區(qū)都針對電機及照明這兩大類有關產品提出改進計劃。

表1  各國對電機和照明產品的改進計劃

家庭用電大約可分為電源轉換輸出(燈、電視)及電機驅動(冰箱、洗衣機、冷氣、風扇、吸塵器等)這兩大類，其中電機驅動所消耗的電力占家庭用電的70%。根據臺灣工程研究院的數據，如果電機效率提升10%，一年約可節(jié)省100億度的電量，相當一座大中型核能發(fā)電站所發(fā)的電量。若再以全球一年的發(fā)電量約為20兆度來計算(在中國1兆是1萬億)，可以節(jié)省2兆度的用電量。這個驚人的數字等同于兩百座中大型核電站的電量。而且在能源法規(guī)及環(huán)保議題帶動下，產業(yè)、產品升級已是維持經濟持續(xù)發(fā)展的必要條件。

圖1

當今家電產品的驅動電機分為交流電機、直流電機兩類；直流電機又分為直流有刷及無刷電機。由于材料科學的進步，直流無刷電機(BLDC 或 PMSM)的研發(fā)及生產近期有相當大的突破。直流無刷電機具有安靜、無噪聲、免維護保養(yǎng)、壽命長、體積小的特性及優(yōu)點；尤其是高效輸入/輸出比，在節(jié)能及環(huán)保方面均有優(yōu)異表現(xiàn)。

直流無刷電機在技術層面以及進入門檻的要求都比其他電機(如交流、直流有刷)更高，因此擁有較高的附加值；同時在面臨能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下，高效率環(huán)保產品自然成了追求的目標，而采用直流無刷電機設計的產品輕松符合以上要求。

直流無刷電機控制驅動上可采用方波驅動(Trapezoidal Control)或磁通正弦PWM驅動兩種控制系統(tǒng)算法。其中，磁通正弦驅動備受業(yè)界囑目。

磁圖2

通正弦PWM
僅依靠3個霍爾零件無法順利產生正弦波相電流控制信號，必須整合高分辨率的位置編碼器來輔助霍爾零件，以取得更精確的位置信息，如此方能產生所需的正弦波。但位置編碼器的高成本卻不是一般應用所能接受的，空間向量調制應運而生。

空間向量調制PWM（SVPWM）也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用控制器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定控制器的開關，形成PWM波形。此法從無刷電機的角度出發(fā)，把控制器和電機看作一個整體，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制，使直流無刷電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環(huán)方式和磁通閉環(huán)方式。磁通開環(huán)法用兩個非零向量和一個零向量合成一個等效的電壓向量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓向量。此法輸出電壓比正弦波調制時提高15％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)方式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據誤差決定產生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了直流無刷電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的震動和噪聲。

在飛兆半導體產品中，有一系列無刷電機應用參考電路。其中，控制單元(Motor Control IC)-FCM8201/02具備著方波/弦波兩種驅動方式，可依不同產品用途擇一使用及多種保護功能，有別于一般MCU單元需要軟件撰寫的能力方能設計使用，降低開發(fā)技術門檻，并可大幅的縮短廠商產品開發(fā)量產時程。其他的如飛兆半導體智能功率模塊 (SPM)  (IGBT/MOSFET,HVIC)、PFC、電源管理IC等，飛兆半導體皆可快速提供完整的方案。

在不同的應用場合及產品中，方波驅動具有低切換損失以及不需要精確的轉子反饋等優(yōu)點。但隨之而來的是轉矩脈動較大，較適合在大能量輸出場合使用。如載具、泵、工具機、工業(yè)用風扇及室外型產品。

弦波驅動無刷電機有運轉平順及無震動、無噪聲的優(yōu)勢，較適合場合:吸塵器、空調、冰箱、洗衣機、洗碗機、家用風扇等家用產品。

家用風扇
無葉風扇、空氣循環(huán)扇、一般家用落地扇、臺扇、吊扇……追求的要點是室內空氣循環(huán)，搭配空調增加效率、自然風、靜音，已經跳開以往直吹的觀念，追求的是更加舒適的生活。以往交流電機要達到相同的功能及效率需要付出額外的控制線路及電機材料、體積提升因此成本結構會大幅增加。直流無刷電機在具備效率及生產優(yōu)勢上，且具有控制單元很容易將智能功能加入來達到舒適家居生活的目的。

圖3

為了避免通過的電流量不堪負荷，造成芯片的損壞，并有更好的保護功能，F(xiàn)CM82XX系列內置OCP(Over Current Protection)的設計回路。目的是讓過電流的情況下，芯片還能夠受到完整的保護。

過電流保護
FCM8201/02提供三階段的過電流保護。

第一階段稱過載電流保護(Over-load Current Protection) ，保護動作的門檻電壓(VOCP_OL)為1.4V。第二階段為PWM每一周期的電流保護(Cycle-by-cycle Current Protection)，保護動作的門檻電壓(VOCP_CYC)為1.5V。最后階段則是短路電流保護(Short Circuit Current Protection)，保護動作的門檻電壓(VOCP_SH)為2.5V。

圖4

結論
在這個電力缺乏與環(huán)保意識抬頭的年代，降低核能發(fā)電已是所有人共同努力的目標，對于高效能電機驅動的需求也逐漸被社會大眾所接受，當然電機控制芯片的設計要求也越來越高。比如，BLDC或PMSM電機的無傳感器、霍爾傳感器以及高階電機驅動器的無傳感器與PFC都是未來的發(fā)展趨勢。提供完整的設計方案與仿真軟件，除了可以簡化開發(fā)的時程，還能將電機驅動達到最優(yōu)化的效率，才能有效的縮短產品上市的周期。