電機驅動涉及的應用領域眾多，涵蓋了許多產品。從手持電動工具到大型家電， 甚至工業自動化的傳輸產線，都缺少不了電機系統。該類應用的技術特性要求電力能量從單相交流供電網絡向三相電機轉子流動。如圖1所示，功率因數校正（PFC）在其中發揮著重要作用。因為PFC連接著動態負載（電機）和電網兩個截然不同的系統，不可避免的需要解決一系列技術問題。一般來說，有兩種技術路線可以應對這些挑戰，一種是單芯片集成控制；另外一種是離散的雙芯片分立控制，分別滿足PFC和電機逆變器的需求。

在這篇文章中，我們深入探討圖騰柱PFC和交錯式PFC系統，聚焦慧能泰HP1010 和HP1011帶來的優勢，了解HP1010和HP1011的創新技術如何顯著提高電機驅動應用的效率和性能。本文重點關注數字控制器，而不是像FAN9672、NCP1631和UCC28070這樣的模擬芯片，也不是像F28035這樣的DSP芯片方案。因為后者需要投入大量研發精力在復雜算法編程上來緩解對資源沖突的控制。

圖 1: 電機驅動系統的典型應用

HP1010和HP011是慧能泰最新推出的兩款PFC控制器，封裝尺寸均為4毫米 x 4毫米的QFN-24L。其中HP1010是業界首款圖騰柱無橋PFC專用數字控制器；HP1011是慧能泰首顆雙相交錯CCM模式PFC的數字控制器，同時也是中國首款。

兩款芯片的數字架構基于高速數字狀態機，并集成了高性能模擬前端以及高速比較器，確保了PFC的高性能實時控制。在睡眠模式下，芯片的供電電流將降低至1 mA。豐富完善的可編程保護功能，包括：逐周期電流限制保護、浪涌過電壓保護、輸入電壓過壓/欠壓保護、輸出電壓過壓/欠壓保護、輸出反饋電壓開路保護等，保護功能參數與使能均可獨立配置。靈活的設計特點，使其可廣泛應用空調和白色家電、高性能計算機、5G/ 電信電源、工業電源、超高密度 (UHD) 電源、帶有IGBT的PFC電源等系統。

此外，兩款芯片各自的特點也是十分突出的。HP1010浪涌電壓保護功能可以使在浪涌過電壓尤其是正半周反向雷擊、負半周正向雷擊時快速關斷慢速同步整流管，有效增強圖騰柱無橋PFC的穩定性和可靠性。HP1011支持自動通道管理功能，和雙相間電感電流動態均衡，雙相間電感電流有效值偏差小于5%。

EFFICIENCY

I2C和UART通信保障電機系統能效最優

兩款芯片均提供I2C 和UART通信接口，這樣使電機系統效能優化更加智能。在電機系統里， 電機轉速會根據應用場景動態變化。因此前級PFC輸出電壓和后邊電機及時的匹配，至關重要，可以進一步提高系統效率。假設因電機負載減小，轉速變慢，但是此時PFC還是保持輸出原有的高電壓，那么注定無用功增加，效率降低。更還有可能對轉子機械結構造成損壞。相反，如果及時的將輸出電壓調整下來，這樣無用功就可以避免。

類似的情況同樣適用于電機故障事件，PFC控制應該及時和電機端聯動配合。實現智能聯動，電機控制芯片可以動態配置HP101x的三個寄存器。通過地址0x00[2]可以選擇是否使能PFC功能。地址0x23 和0x24分別為低壓和高壓輸入時輸出電壓的參考。HP101x 高精度的模擬前端支持在0V到560V范圍內以0.27V微小步進調整。此外，根據電機系統設計的具體要求，眾多的PFC的運行參數可以通過通信接口反饋到后級控制芯片。例如保護狀態，輸出電流，輸入電壓頻率，系統狀態等等， 都可以被后級控制芯片讀取，從而實現深度系統智能優化。更多的細節可以通過HP101x GUI 用戶手冊獲取(慧能泰半導體官網-數字能源/HyCtrl (hynetek.com))。

QUICKLY

快速應對電機系統里瞬態事件

智能聯動固然好，但是如果在通信指令到來之前，系統對突發事件的處理，更是系統可靠穩定運行的保證。電機應用的固有特性是：非線性和感性負載。相應地，系統功耗也會隨負載和電機的旋轉速度而變化。這種非線性本身就會使PFC的設計難度增加。然后更具有挑戰的是，PFC控制需要同時滿足在寬負載范圍內，保持高功率因數品質。

一般來說，PFC控制算法包括快速電流環和慢速電壓環兩個環路。為追求單位功率因數，設計上電壓環的帶寬專門做窄帶處理，一般為幾十赫茲，從而與更高頻率的整流電流環路分離，避免干擾。恰恰因為這個狹窄的電壓環帶寬，PFC處理快速負載變化的能力受到不利影響。對負載變化的錯誤或者不及時的處理可能會進一步對放置在逆變器前面的電容造成過壓沖擊，從而影響系統的可靠性。此外，母線電壓的波動還可能來自交流側。AC線上的任何干擾，如電壓丟失或雷擊，都有可能對上述同一電容器造成損害。

圖 3：100 Vac, 400V, 1.5A To 1.9A, 鎖住 (右), 恢復 (左)

圖 4: 100 Vac, 90° 掉電, 5ms (左) / 10ms(右)

HP1010和HP1011都展示了卓越的動態響應性能。以下分別從交流輸入測，和負載端兩方面來展現其強大的瞬態性能。

為了抵御來自交流側的突然情況，HP1010和HP1011提供了逐周期電流保護配合其專利控制算法，以確保快速，可靠的響應。圖3展示了電感電流迅速升至重載時，PWM（脈沖寬度調制）立即關閉，然后根據預先設置的閾值、周期時間和防抖時間進行有序恢復。并且這三個參數是可以根據設計需求，通過寄存器靈活配置的。

另一方面，HP1010和HP1011在負載瞬態性能方面的卓越表現也可以從圖4中得到肯定，測量證實輸入電壓在90°時丟失，無論是丟失5毫秒還是10毫秒，都能實現平穩快速的過渡。一旦發生下降，電流在幾個周期內就可以智能地恢復到正常狀態。

快速環路模式是HP1010和HP1011的又一個特色，旨在對負載變化作出快速響應。從圖5中可以看出，在保持輸出電壓為400伏特的情況下，使用快速環路功能和不使用的差異在10%以上。并且通過簡單的寄存器設置，可以定制參考電壓和響應時間，從而為設計提供更大的靈活性。

圖 5: 100 Vac, 60 Hz, 空載-重載, Vout 334V ( 快環開啟, 左), Vout 290V ( 快環關閉, 右)

IMPROVE

提升整個系統的EMI性能

電機和PFC控制分別在兩個不同的時鐘頻率上運行，電機為萬赫茲而PFC卻在十萬赫茲。這兩個節拍以不同的節奏激發整個系統板，因此導致了系統的電磁干擾（EMI）和電流的總諧波失真（THDi）環境惡化。

頻率抖動是解決這個問題的一個有效功能。HP1010和HP1011提供簡潔方便的定制抖頻。通過相關寄存器設計，HP1010和HP1011可以在給定周期數范圍內改變開關頻率。并且這個功能有八個可用的步進來滿足不同的設計要求。

從圖6明顯可見，啟用抖頻功能后，EMI性能在整個頻譜上都有所改善。

圖 6: EMI抖頻關（上）開（下）

以上就電機應用的特點，從智能聯動，瞬態響應，EMI, 三方面來介紹HP101x是如何提升電機系統的整體性能。其實，HP1010和HP1011還提供了一系列更為先進的功能，以確保設計過程更加靈活和適用系統更可靠。例如，豐富的保護功能、X-電容放電、功率計量、浪涌電流保護等等。




審核編輯：劉清