原创 探讨国内电动工具控制器技术现状与发展趋势

　　【哔哥哔特导读】电动工具市场的变化，对控制器提出了哪些需求?

　　编者按：

　　目前智能控制器已广泛应用于电动工具。作为电动工具上的核心部件，控制器不仅可以大幅提高操作效率，显著降低空载噪声和振动，还可以延长电动工具的使用寿命，提高产品的安全性和自动控制功能。伴随着智能化程度的提升，电动工具行业对智能控制器产品的需求持续增长。

　　为了进一步了解当前电动工具对智能控制器产品的需求变化，本期《对话》以电动工具控制器为主题，邀请电动工具行业上下游的资深技术人员就其主控芯片、功率器件、电容等半导体器件性能的要求进行探讨，并了解目前上下游间的供应关系以及电动工具控制器的未来应用趋势。

　　对话问题导览：

　　1.根据目前的市场需求，您认为电动工具控制器的主控芯片升级需满足怎样的功能和性能?在控制方式上有什么具体要求?

　　2.对于功率器件和电容等辅助器件，目前使用在电动工具控制器一般要求满足怎样的性能条件?

　　3.作为电动工具控制器企业，在与上游半导体器件供应商合作过程中，是否对您的工作或者贵公司产生困扰?有何解决办法?

　　4.在合作供应关系上，贵公司如何发挥交期、技术支持或服务等方面的优势?

　　5.能否简要谈谈电动工具控制器的应用趋势?

　　对话嘉宾：

　　1.根据目前的市场需求，您认为电动工具控制器的主控芯片升级需满足怎样的功能和性能?在控制方式上有什么具体要求?

　　灵动股份胡力兴：电动工具是一个非常宽泛的概念，产品的要求和档次之间差距非常大。其中专业级和工业级电动工具会有高转速、大功率、高精度、高效率长寿命的要求，这一类工具通常对主控芯片的算力和可靠性有着较高要求;控制算法上也会根据不同的应用需要进行优化。

　　还有一类是消费级电动工具，它们对可靠性、性价比、高集成会有要求;在部分应用领域会需要更多的通信接口支持以便扩展传感器、无线连接的功能。控制方式上以无感方波控制居多，但终端市场对于噪音、效率以及振动也开始提出要求;部分电动工具开始使用FOC算法控制内部的BLDC。

　　灵动股份的SPIN0280内置96MHz的M0内核128KB FLASH 3M的ADC，同时有对应集成60V和200V预驱的芯片，可以覆盖不同供电电压与高中低端电动工具应用需求。

　　澎湃微雷江峰：近年来，随着BLDC的发展，电动工具主控芯片朝着以下两个方面发展。

　　1)电动工具控制器芯片从8-bit单片机朝32-bit单片机转变。主要由于以下几方面的原因促成。首先，32-bit单片机的性价比大幅提升，价格已经逐步接近8-bit单片机的价格，同时32-bit单片机运算效能大幅提升，有助于客户产品升级迭代。其次，32-bit单片机，尤其以ARM内核为主的产品，通用性强，方便移植，客户可以快速进行平台切换。由于前期缺货的影响，众多厂家更倾向于选择兼容性高的产品。最后，部分出口产品需要进行认证或者产品升级的需求，对于控制器的资源要求也随之增加。

　　2)由于电动工具控制板的面积小，近年来控制器芯片小型化的趋势越来越明显，单片机集成预驱，甚至集成LDO成为市场的主流。集成的方案具有以下优势：节省PCB空间，可以用在更小型化的工具上面;降低BOM成本，提高终端产品的竞争力。

　　电动工具在控制方式上目前仍以方波驱动为主。

　　拓邦股份郝才生：如果需要进一步的升级，可能会往更加集成化和智能化方向。第一，MCU起码带有集成化驱动，但并不意味着集成度越高越好。因为集成度越高，MCU发热也就越厉害。第二是主频要48兆以上;第三是ADC时速尽可能地快。目前ADC主流是一微秒，如果能达到0.75微秒，也算是一个很大的提升。

　　目前控制方式上，80%的控制器使用的是方波，其余是正弦波。方波中已经有90%是无位置，10%还是有位置的，但无感的控制方式占比会越来越大。

　　博世陈建平：目前面向出口的话，主控芯片的MF接口比较少，要求集成化的程度越来越高。控制方式上，主要是要求方波控制。

　　博世张跃栋：一般普通级的电动工具不会达到正规级的要求，具备一些基本的控制、调速等功能，控制电机就差不多了，没有太多复杂功能。

　　领芯微卢权胜：现在的芯片升级功能需要满足PWM波、ADC功能、内置运放功能等。我们的芯片具有96MHz 32位M0内核，支持三种低功耗模式：睡眠模式、停机模式、超低功耗停机模式，三相P/N MOS管栅极驱动模块，工业级工作温度。在控制方式上需要进行反电动势检测，利用方波控制速度环和电流环，进行双环控制。

　　东成王浩东：如果电动工具要出口，控制器上的主控芯片要满足安规的 SCF软件认证等要求，在电机控制方面相应的功能要相对强大。控制方式方面，方波、弦波控制基本上都可以满足要求。

　　华润微电子李宜东：电动工具目前越来越普及，功能要求产品的扭矩越做越大，并且相对空间已经几乎做到了极致，同时功率器件的输入电容通常会在几个nF，1A左右(甚至更大)驱动能力的Driver集成就显得非常的必要。目前系统典型的载波频率在10KHz、16KHz、20KHz，控制环路信息采集系统运算时间相对较长在us级别，更高的主频(48MHz甚至以上)已经成为趋势。

　　另外，工具类分为有刷和无刷两种架构，无刷架构控制相对复杂，但是耐用性、续航能力方面有明显优势，再考虑到静音效果，对MCU处理速度要求更高的FOC方案会对目前主流的方波方案有一定的冲击。

　　宝时得湛康：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通讯口等都是常规的，基本上每家做的产品都有。控制方式的话，基本都是方波或者FOC控制。

　　安森美杨雪芳：BLDC与ACIM相比，转子惯量较低，不仅更高效，而且能提供更准确的可重复停止精度。故无刷控制已成为下一代电动工具控制器的首选。安森美(onsemi)创新使用直接扭矩控制(DTFC)弦波控制算法，具有噪声小，效率高等特点，而且片上ARM-Cotex M0 控制器外还集成了门极驱动, 电流检测以及保护电路，提供高效能的同时节省BOM成本以及PCB布板复杂度。

　　衡灏电子郁水华：我们做的是中低端的市场，功能和性能上没有什么要求，但价格越便宜越好，性价比要好是必须的。控制方式上，现在主要是方波控制。

　　2.对于功率器件和电容等辅助器件，目前使用在电动工具控制器一般要求满足怎样的性能条件?

　　东成王浩东：不同的功率器件，各家公司都会有它的选择标准。拿一般选取标准来说，价格肯定是最主要的因素。其他具体方案要看器件具体的功率或者电压参数等。

　　华润微电子李宜东：考虑电动工具的使用环境(如工作时间长、负载重、粉尘(静电)、地域等因素)，产品处于高温/低温、静电、重载等恶劣因素的笼罩下，对于功率器件就要求更高的结温(CRTD045N03L Tjmax=150℃，部分产品可以满足Tjmax 175℃)，强壮的EAS能力，-40℃低温Operating，足够的设计裕量。

　　博世陈建平：主要是内阻小、电流大。

　　拓邦股份郝才生：MOS是经常用，也是用量最大的。一般要求控制器的结电容越小越好。因为结电容越小，就意味着MOS管内的开通越理想。如果这些参数大，寄生的东西越大，会产生一些不可知的现象，导致设计难度加大。

　　针对电容，主要是电解电容的高频特性要求高，因为电解电容运行时会发热。其他贴片电容基本上没什么大的改进要求。

　　华瑞微唐红飞：华瑞微与电动工具控制器主要相关功率器件的是中低压Trench MOS,SGT MOS与HV VDMOS(IPM模块合封)。

　　中低压Trench MOS,SGT MOS要优化满足如下参数要求：1)节电容要小;2)体二极管FRD反向恢复时间Trr要小;3)EAS雪崩能力要强。

　　HV VDMOS(IPM模块合封)要优化满足如下参数要求：1)体二极管FRD反向恢复时间Trr要小;2)EAS雪崩能力要强。

　　华瑞微针对电机驱动领域主推物料都有对以上要求做优化设计，更好满足客户需求。

　　宝时得湛康：我觉得这些都是很常规的器件。对于通用的器件，基本上电压、电流和温度满足要求就可以，还有就是尺寸要小。目前我们还都是用单科模式。因为我们尺寸上有小型化需求，如果有同时集成6颗和IPM的模块模式，然后本身成本也能与6颗独立的模式等效，我们是比较欢迎的。

　　领芯微卢权胜：功率器件的选型是依据电机的额定值来确定的，不同电机的电压和额定值是有差异的，需要根据设计方案来确定驱动器件。目前应用广泛的功率器件是MOSFET和IGBT。电机控制器上所需的电容，需要选择电容耐压值达到线路电压的1.5倍到2倍，我们在选择辅助器件上会倾向于更贴近极限值且能做到保护的器件，可以满足效率高、瞬时转矩大、可靠性高等性能，也可以节约成本。

　　衡灏电子郁水华：除了产品的稳定性、可靠性，电阻主要满足35Ω左右。

　　奥凯普孟唏：大体上要求都差不多。主要看电源板的功率大小以及客户自己的设置，因为铝电解电容是共用元器件，在开关电源或照明领域都可以共用。如果客户的电动工具有特殊条件，我们会按照客户的要求量身定做，但大部分常用电容的应用领域都比较多。

　　3.作为电动工具控制器企业，在与上游半导体器件供应商合作过程中，是否对您的工作或者贵公司产生困扰?有何解决办法?

　　拓邦股份郝才生：我们遇到最大的问题，主要是要有学习、试错的过程。因为供应商的宣传跟实际情况还是有出入，我们需要通过实际验证。有时通过验证，我们反馈一些他们自己都不知道的问题，然后他们再进行升级。

　　另外是交付稳定性波动比较大，是我们最头痛的一个大问题。因为受到一些政策和国际形势的影响特别大，但消费级的器件供应明显好转。

　　东成王浩东：今年交期好像缓和了一些。大家都知道，去年所有半导体器件的交期都不好。

　　宝时得湛康：倒还好，我觉得供应方面都还正常。

　　4.在合作供应关系上，贵公司如何发挥交期、技术支持或服务等方面的优势?

　　灵动股份胡力兴：灵动股份针对电动工具应用有着为数众多的成功案例;同时也有对应的解决方案，通过向客户提供对应的方案和参考设计，帮助客户方便地开始第一步。

　　澎湃微雷江峰：澎湃微自成立以来，PT32L031和PT32F30系列产品均可以面向电动工具市场。其中，PT32L031系列已经在角磨、电钻、扳手等产品上面取得量产出货的成绩。PT32F030系列产品支持72MHz的主频，集成3路OP和2路比较器。同时，我们针对PT32L031系列，可以提供基于方波驱动的例程及相应的电机驱动板，客户可以快速上手。未来，我们会提供集成外部驱动的更具性价比的单芯片方案，适用于小型化的工具。

　　奥凯普孟唏：目前来说，公司有三个专业的工厂制造基地，我们的交期比同行要有更大的优势。我们不仅在华南地区有两个工厂，而且在安徽的安庆也建有工业园，服务于华东地区的客户群体，所以技术支持和服务方面也会很快响应到客户的需求。

　　华瑞微唐红飞：华瑞微自成立以来，始终关注全球半导体产业发展趋势和国内客户需求，依托深厚的产业资源，凭借创新技术和市场储备，产品满足客户和供应商需求，合作共赢，共同建立中国集成电路生态圈。

　　5.能否简要谈谈电动工具控制器的应用趋势?

　　灵动股份胡力兴：因为电池技术的快速发展，工具从有线供电或燃油动力转向电池供电的无绳电动工具。随着近几年电动工具的高速发展，电动工具市场的门槛正在逐步提高。未来针对锂电池的管理模块与电控工具的控制模块都会走向SIP集成。同时消费端对于电动工具的新技术采用也愿意提供更高的溢价支持，程序的复杂度所对应的FLASH大小与通信接口数目的要求也会增多。

　　博世陈建平：肯定是转速快、价格低。目前FOC控制在电动工具上的应用意义不大，主流是无刷电机。从长远来看，无刷电机的使用寿命更长，以后更新换代的速度变慢，但总体来讲，我对电动工具市场的增长还是比较乐观的。

　　东成王浩东：电动工具控制器的集成化程度更高，比如把部分电源和辅助模块加进去，使线路板面积再进一步缩小，然后从低压、中压到高压，全面覆盖。目前控制器主控芯片使用的都是COS M0架构，后续价格进一步降低或者工艺更成熟，会把X的架构继续下放。因为受全球疫情的影响，目前大部分厂商可能都会出现经济下滑的状态。未来两三年的市场态势主要还是看国内和国际的整体经济情况。

　　华润微电子李宜东：首先电动工具以便携作为主要的卖点，但是便携也在一定层面上决定了续航能力，所以轻量化、低能耗(更低的功率器件损耗)将会是工具类产品主要功能的发展方向;其次现有工具都可以实现基本的应用功能，目前市场层面看后续有增加APP记录输出扭矩、电量显示、故障提醒等软信息的可能;再者目前工具非常多样化(如架构类似平台化的电动螺丝刀、电扳手、手枪钻、电剪刀等等)，现在多功能的工具也已经非常普遍，并且可能会进一步多功能结合。

　　宝时得湛康：那肯定是体积越来越小，功率密度应该是越做越大，然后智能类的功能越来越多。

　　领芯微卢权胜：电机控制器的发展趋势是软件固化。我们的芯片内部集成运放电路与预驱电路，在出厂时已经将程序烧入芯片中，程序简洁，用户能直接应用我们的程序进行调试，运用简单而广泛。它们不仅能够适应大部分的电机控制器，而且能够提高控制器的反应速度，增强可靠性，节约成本，对于大规模的生产有重要意义。能耗少，效率高，集成化高将是未来的发展方向。

　　拓邦股份郝才生：未来应用趋势的范围会越来越广，不仅限于建筑跟木材加工，只要能给人手头带来方便的，都有可能实现电动化。控制器的体积可能越来越小，成本会压缩得越来越低，毛利率会越来越透明。但是性价比要求提高了，利润率会下降，也就是市场已经没有什么暴利了，最终就是优胜劣汰。

　　安森美杨雪芳：随着信息技术、材料技术、能源技术的进步，电动工具控制器正在进入一个新的发展阶段，体现出节能化、智能化、无刷化、集成化等发展趋势。

　　奥凯普孟唏：电动工具未来的市场发展前景应该还是很广阔的，还可以持续发展好多年。因为这种工具的应用行业也很多，应用范围比较广泛。特别是消费类电动工具，未来肯定要不断更新换代。电动工具控制器本身的发展跟电动工具也是相辅相成的。

　　结语：

　　电动工具作为生活与工作中常用工具，随着无绳化普及率及智能化水平不断提高，其控制器占整机产品价值的比例提升。电动工具面向低中高端应用，不同的应用领域对应不同的性能和功能要求。总体而言，目前电动工具基本上多以方波控制方式为主，对其主控芯片的要求逐步集中在可靠性、稳定性和集成度，以及预驱、调速和感应联网等功能。而在功率器件和电容等辅助器件上，工程师们更加看重产品的安全性、可靠性以及对应的参数要求。

　　智能控制器产品集成的功能相应增多，产品复杂程度上升，产品附加值也上升。随着部分市场的成熟和同质化竞争，产品同等性能和功能条件下，消费者则更加追求电动工具控制器整体的性价比。

　　除却传统的木材加工、建筑和家庭需求，电功工具的应用范围也会涉及更大范围。若新材料、新技术的应用得到实质性发展，未来电动工具控制器的集成度越来越高，体积越来越小，节能高效越来越突出，在性能和外形上都会有很大改观。

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