减少70%的布板空间：TI推出两款特色BLDC电机驱动芯片

在5G、物联网光环之下，一个潜在的“黄金产业”的势头正在兴起。数据显示，我国智能家电市场规模正在迅猛增长，2020年达到5155亿元，预计2021年将达到5760亿元。而其中，BLDC（直流无刷电机）应用在家电行业中需求量巨大，总年用量约10亿台，这是非常庞大的市场，许多企业也已逐渐入局。

日前，德州仪器（TI）为应对传统交流感应电机转换成BLDC电机面临的设计挑战，推出推出无需编程无传感器磁场定向控制和梯形控制的70W BLDC电机驱动器，可节省数周系统设计时间。

电器对噪声和能效需求日益增长

“家中使用的电器产品越来越多，特别是在开放性空间设计流行之后，对更低噪声、更高能效电器的需求日益增长”，德州仪器（TI）电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian如是说。

从冰箱到料理机，噪音甚至能够从40dBA到100dBA。因此，电机降噪至关重要。在电机降噪技术上常见三种方法。

其一，阻止传播，从传播路径上进行阻断或吸音来阻止噪声传播；其二，改变噪声，通过技术手段分析噪声频率和噪声发源，利用心理声学改变声音；其三，从源头上避免噪声，这也是TI所最为推崇的方法。

数据显示，全球几近45%的能量被电机消耗掉了。因此，提高电机能效非常重要，同时全球在能效上均有相关标准。BLDC是高效率的电机，从交流感应电机过渡到BLDC电机可以降低功耗，但同时也会带来三大挑战。

其一，BLDC系统控制非常复杂，开发周期也会随之拉长；其二，由于系统变得复杂，硬件电路板和器件也会增多，整体电路板尺寸也会增大，比如在设计BLDC电机驱动需要类似变频器的电路板、进行电流采样、开关器件切换等；其三，设计周期延长提高了开发成本，电路板尺寸和器件的增多提高了材料成本。

两款颇具特色的电机驱动芯片

BLDC在拥有降低噪声和提高能效的“魔力”的同时，依然存在上述的挑战。市场上新一代BLDC电机驱动逐渐无需变成开发，但普遍难以优化性能或提供的性能不一致。另外，BLDC电机驱动器虽然集成度正在日益提高，但仍有许多亟待改善之处。

Kannan表示，TI推出的新产品逐一解决了BLDC驱动器的各种挑战。其一，新产品无需编程，经验数据显示，一个资深电气工程师调谐电机花费数周或者数月，全新产品能够将调谐时间缩短为不到10分钟；其二，产品采用实时控制加快系统响应，假设产品搭载在吸尘器上时，碰到大的负载或障碍物吸力不会减少；其三，新产品拥有许多先进设计，能够从源头上消除噪音。

新产品的具体型号是MCF8316A和MCT8316A，为70W BLDC电机驱动器，二者采用不同技术，前者为磁场定向控制（FOC），后者为梯形控制。与此同时，两款新品均不需要传感器，可以将整体方案尺寸减少70%。

为什么TI的芯片能够如此大幅度减小尺寸？这是因为普遍来说，70W BLDC电机驱动全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、门极驱动三部分，这种情况下总元器件数需要28个，尺寸将近7平方厘米。如果将方案进一步集成，便可获得更少的器件和更小的面积。

而TI实际上是将三大功能全部集成在一款芯片之上，总元器件数降低为10个，尺寸降低到2平方厘米。MCF8316A和MCT8316A将六个40V、50mΩ MOSFET与栅极驱动器、电流和电压感应以及控制器一起集成到一个7mm x 5mm QFN封装中，这些MOSFET排列在三个 ½-H桥中。

Kannan介绍，两款芯片拥有一个共同的功能，即防止总线电压的泵升。当BLDC电机高速运转且需快速降低速度时，此时电机会变成发电机，电机本身的能量会反灌到驱动器的总线上，这种情况下总线电压会上升，总线电容、变频器等部分MOS管会因过高电压而烧毁。于是两款芯片便内置了这一先进的功能，实时检测总线电压，同时动态调整降速的比例，始终保持总线电压是安全的。通过这种方式，两款芯片能够在降低转速的同时，又能保证总线电压不超标，且降速时间比传统时间快50%。

两款产品也各具特色，MCF8316A作为一款无传感器磁场定向控制（FOC）电机驱动器，在电机启动时能够自动识别电机参数，解决参数不一致的担忧，同时自动配置PI参数，无需工程师逐一修正；另外，该芯片可以通过自动死区时间不长，将噪声降低多达2dbA。

除此之外，MCF8316A还提供了多种功能，使无传感器磁场定向控制更容易，电机操作更一致。例如，电机参数提取工具 (MPET) 提供了一个内置的、可离线运行的实用程序来测量电机参数并自动将它们加载到设备中。TI发布了一个GUI，其中展示了调整优化电机的每一步过程，可结合我们的评估模块一起使用。闭环电机操作可通过寄存器设置进行配置。多种启动方式和广泛的自定义选项使客户能够安全可靠地启动和停止电机。

MCT8316A作为一款无传感器梯形控制电机驱动器，可以简化接口，由于自带闭环控制，因此无需使用MCU，5个硬件接口即可实现速度闭环和扭矩的控制；能够提供高达3.5kHz的电机速度；另外，芯片拥有经过优化的噪音设计，通过内部先进算法，工程师可以非常容易地降低噪音。

​BLDC极具生命周期成本优势

为什么无刷直流电机更加受到青睐？据悉，电器内部电机在运行时会发出噪声，因此靠近人类的电器应用可能会成为“麻烦事”。例如，吊扇必须完全静音，空气净化器可以通过降低噪音使其运行更加高效，从而打造更有区分度的产品。无刷直流电机通常是最安静的电机类型，尤其是与机械换向、电刷产生噪音的有刷直流电机相比。控制低噪音电机非常困难，很多情况下必须使用接近正弦波的、非常干净和平滑的电流来驱动电机。如果正弦波有任何失真，就会产生可听噪声。除此之外，还需要非常准确地测量电机位置，以便正确驱动电机。

而从整个生命周期的成本来看，从交流感应电机转换到BLDC颇具性价比。一方面，BLDC整体能效提升了10%-15%，相应的可以减少系统设计包括散热方面的成本；另一方面，BLDC电机整体生命周期更长，且从节能、能耗及生命周期上来讲均具成本优势。

纵观整个市场，很少有产品能像MCx一样将功能进行高度集成，且无需编程。此外，市场上没有其他集成控制器解决方案可以实现70 W的功率传输。根据Kannan的介绍，两款芯片应用非常广泛，由于能够提取不同电机参数，可以广泛应用家电中诸如风机、水泵、油泵、风扇、吸尘器等。

除了MCF8316A和MCT8316A，TI还提供诸如C2000的MCU，可与电机驱动器（如DRV8316）一起使用，以实现分立式的布局。TI拥有丰富的控制、驱动和传感产品组合，因此客户可以为其应用选择合适的架构。“我们了解市场需求在不断发展，而TI通过利用多年的实时控制专业知识为该领域提供了更多的选择”。

“我们将继续扩展我们的BLDC产品组合，包括控制器、驱动器和符合汽车安全等级认证的栅极驱动器等产品。凭借可在任何电压下提供超高功率密度的广泛产品组合，客户可以快速实现平滑、准确的电机运动，而不会影响系统和设备的稳健性”，发布会的最后Kannan如是说。

文/付斌，欢迎关注21ic电子网

TI这颗芯片的失误，间接成就了Intel

来源：本文由半导体行业观察翻译自IEEE ，谢谢。

你是否使用过一台笔记本电脑或者是台式电脑，我想大多数人的答案都是肯定的，而这些电脑有很大可能性都是采用英特尔808x线程的，无论是windows还是Mac都是如此。英特尔处理器的优势可以追溯到上个世纪70年代，也就是1978年，那一年IBM选择了英特尔的8088处理器制作第一台个人电脑。

但是这种选择并不是那么水到渠成的，或许在某些业内的资深人士看来，这一选择似乎有些匪夷所思，因为在那个时候，英特尔的8088处理器甚至可以说是那个时候性能最差的16位处理器之一。

历史往往是由胜利者书写，对于TI的TMS微处理器来说更是如此。也许英特尔的8088处理器对于第一台家用电脑来说不是最好的选择，也并非最明智的选择，但是对于英特尔来说却是最好的机会。

笔者作为德州仪器曾经负责开发TMS9900微处理器的一员，见证了英特尔8800处理器和TMS 9900的你争我夺，但是现在有多少人还记得TMS9900呢？历史就是如此，往往选择性的记住胜利者，而忘记失败者。

当然，对于那一段历史来说，最大的失败者不是TMS9900，被遗忘的也不止一个。当时Motorola 68000在性能上远超英特尔8800和TMS9900，也并没有只局限在IBM的个人电脑上，但是为什么只有英特尔胜出了呢？下面，笔者就带大家了解一下哪些可能不为大家所熟知的芯片历史，为什么TI成为了是失败者，为什么摩托罗拉被英特尔赶超，失去了市场？

1978年，笔者正在做关于TMS 9900的演讲，以争取获得IBM的个人电脑采用，然而TI并没有把握住机会

为方便阅读，以下采用笔者口吻进行叙述：

在结束研究生学习之后，我于1972年加入了德州仪器，也就是TI。大约两年之后，我见到了TI位于休士顿的MOS部门的经理Jack Carsten（http://www.computerhistory.org/collections/oralhistories/video/47/）。TI当时在休士顿主要进行金属氧化物半导体芯片的研究工作。

当时的我，作为一个年轻的工程师，真的有点被Jack Carsten吓到了，他在我的演讲中就坐在会议室的桌子边上，抽着雪茄，没当他听到他不同意的话的时候，就会在嘴里咕哝着“bull****”。

当时行业的发展情况是，三家顶级的半导体公司——Fairchild、Motorola和TI，都在做从双极集成电路过度到金属氧化物半导体电路的工作。这种需求来源于，MOS芯片需要一种完全不同于双极芯片的工艺和结构。英特尔当时还是刚刚成立不久的“小公司”，没有大公司的通病，业务转型速度非常快，而Fairchild、Motorola和TI，这三年公司速度就明显慢得多。

三家公司之中，TI的转型速度是最快的，在很大程度上，这主要归功于像L.J. Sevin这样的人。L.J. Sevin在1969年离开TI成立Mostek，转行做了一名风险投资家。此外，力主MOS转型的还有曾担任TI TTL家族产品系列负责人的Jack Carsten（也就是之前提到的那位）。

TI的MOS部门在新兴的掌上计算机部门市场所需求的逻辑芯片上取得了显著的成功。虽然该公司在与英特尔竞争的过程中击败了英特尔，并最终开发了第一台通用微处理器。但是该公司的工程师并没有真正关注英特尔的4位4004或八位8008处理器。当时TI对于英特尔的关注主要集中在8080和之后出现的8080-A八位微处理器上，这些微处理器要4004性能更好。当时，TI MOS部门的任务是在微处理器和DRAM产品上追赶上英特尔。

因此，TI开发通用微处理器总是在遵循一种开发策略。该策略的背后关键假设是，软件将会驱动芯片的发展，并且将能够使MOS IC获得成功。

这样一来，无论是在系统还是在消费产品方面，TI将会在微控制器方面获得领先的地位，并树立行业标准。而这些领域在未来也都是快速成长的业务。

但是要做到这一点，TI就不得不超越当时以英特尔8080为代表的八位微控制器，首先进入16位架构市场。正是这一战略的引导，才出现了之后的TMS9900计划。

赢家：尽管英特尔的8088微处理器并非完美，IBM还是选择了它用在个人电脑上，这款电脑在1981年推出。

TI有着深厚的技术积累，早在上世纪60年代末的超级计算机竞赛中就已经展现了其深厚的技术能力和计算机技术。在60年代末，那场以石油公司为主导的石油勘探的三维分析所带来的计算能力竞赛中。TI借着这一趋势，成就了公司的初始业务。虽然当时IBM、Control Data Corporation和其他一些公司都参与到了这一趋势当中，但是只有TI第一个将先进的科学计算机应用到这一市场。

因此对于TI来说，为16位的微处理器，选择一个芯片结构是非常简单的事情。TI当时采取了这样一个策略“one company, one computer architecture”。旨在提升公司不同部门之间的协同作用。比较鲜明的一个例子是，TI的数据系统部门已经推出了一系列的TTL微控制器产品，能够用在美国的很多地方使用。所以在TI为TMS9900采用类似的架构，也就没有什么太大的悬念。

Carsten的团队知道，想要将TMS9900以及SBP9900发展成熟需要很长时间。在1975年和1976年的时候，这种芯片很难准备充分。与此同时，MOS部门也在实施另一项计划。该计划旨在拷贝英特尔8080A微控制器的架构以进入类似的市场。然后在此基础上推出TI自主组架构的八位微控制器。（TMS5500），然后再发展到16位的TMS9900。美国国家半导体公司那个时候,已经发布了一款16位的通用逻辑芯片组，称之为IMP-16。但是由于其采用了多款芯片，所以从来就没有得到真正的普及。

虽然TMS9900的公布面临着很多挑战也经历了延迟，但是该款产品最终在1976年上市了。尽管如此，TMS9900还是面临着很多问题。

首先，该款芯片并没有可兼容的16位外围芯片。如果没有外围芯片来辅助处理通信和存储功能，16位的微控制器对于整个系统设计来说毫无价值。

第二个问题是，TMS9900所采用的结构与其他的TI产品相比，只是采用16位的逻辑地址空间，在其他架构方面与八位的微处理器几乎相同。可以说TI并没有开发一个全新的体系架构，这在当时是无法解决的问题。

最后一个问题是，TI已经将它的微处理器技术应用到了多个领域，例如国防和半导体。但是如果他们的产品都采用了TI的微处理器架构，这些企业的竞争对手将处于不利的地位。

失败者：困扰TMS9900的主要问题是,缺乏可兼容的外围芯片。所以在系统设计方面毫无建树。

由于TMS9900在16位的外围芯片方面缺乏兼容性，当时的TI工程师不得不想出另外一个点子。要知道当时大量的外围芯片都是基于八位微处理器工作的，也是基于8位微处理器在设计的，那么为什么不能够将8位的外围芯片应用在TMS9900上面呢？这个想法在当时听起来是那么的合理。

随之而来的结果是，在1977年推出的TMS9980，真的将8位的外围芯片功能增加到了16位微处理器上。这样带来的一个结果就是否定了16位体系结构的优越性以及性能。

要知道将TMS9980这一个16位的微处理器用以执行一8位的外设指令的话，微处理器将不得不降低一半的性能，这对于一个16位的微处理器来说，其执行效率并不比一个8位的微处理器要更好。

在完成这一任务之后，Carsten离开了TI加入英特尔，成为了销售与市场副总裁。毫无疑问，英特尔将会成为TI在微处理器市场面临的最大竞争对手。

当然，英特尔也一直都在开发着自己的16位微处理器8086微处理器，该产品最终在1978年4月推出。但是英特尔芯片的优点在于该芯片解决了16位外围芯片不足的问题。其解决办法在于通过在微处理器上增加一个八位的端口。这一方式与TI的TMS9980的解决方法有异曲同工之妙，可以说在性能方面要比之前的8086都要低。但是英特尔芯片确实要比TI的芯片有一个很大的优势，那就是英特尔芯片采用了20位的逻辑地址空间，而不是16位的。这在一定程度上提升了自己的内存地址能力，相比于16位来说，要有更高的性能。

当英特尔已经开发出了替代8086的新产品的时候，TI没有采取类似的措施，而是裹足不前。当时很多的客户都希望在这一市场有至少两个厂商提供类似的半导体元件，以保证足够的竞争，能够降低产品的价格和提高可用性。

与此同时，其他的一些竞争对手也已经宣布了他们自己的16位通用微处理器的发展规划。摩托罗拉的68000微处理器，可以说是最具有雄心的。虽然68000微处理器有16个外部引脚，但是实际上它的内部采用了32位的结构。这就是说，该产品能够在外部同时处理24位的逻辑地址空间。而在后续的产品则能够解决32位的问题。

Zilog，8位微处理器的缔造者，宣布将要推出16位的Z8000微处理器。该产品具有分段存储功能，在1978年底或者是1979年年初推出。与摩托罗拉不同的是该产品是16位架构。

摩托罗拉的16位68000微处理器，在内部采用32位结构，但是芯片当时的设计并没有为IBM的PC考虑。

1978年10月，在英特尔8086微处理器推出六个月之后。我转移到了TI的MOS部门，成为了微处理器部门的经理。到了这个时候，公司里的每一个人和公司外的很多人都知道TI的16位微处理器策略已经没有作用了。但是复杂的任务分工使得公司内部依然在尝试着开发一款能够兼容16位外围芯片的16位微处理器，该产品就是TMS9940。

当我到这个部门的时候，这款产品已经重复开发了很多次了。这时候我就已经知道我将不得不面临一个非常困难的局面。

那么为什么我会放弃一个很好的工程师工作，转去做消费品部门的工程部经理呢？答案是工作地点。TI微处理器部门总部位于休士顿，而移动消费产品部门总部在德克萨斯的Lubbock。

而我就喜欢生活在德克萨斯Lubbock，为什么呢？因为那儿的人。乡村音乐歌手Mac Davis就是生长在那。他的歌里就曾经唱过“I thought happiness was Lubbock, Texas, in my rearview mirror”。

在我到达休斯顿之后，有人告诉我。我需要为正在为IBM秘密开发的TMS9900的一个项目准备一个关于16位微处理器的演讲。据了解，当时IBM这个项目的总部在佛罗里达州的博卡拉顿市。为了这个演讲我花了很多时间去准备。但是IBM的团队缺兴趣缺缺。直到1981年我们才知道我们到底失去了什么。

John Opel，IBM的总裁和首席执行官。在他开始组织IBM Boca Raton研究小组的时候，就已经决意要做一些非同寻常的具有改革意义的事情。也就是我们后来所说的Entry Systems Division。那时候他就已经意识到，无论是Apple,、Commodore、Radio Shack,、TI，还是其他什么公司的个人电脑产品，对于IBM电脑业务来说都是一种威胁。

所以他才在博卡拉顿市成立Boca Raton研究小组用以开发IBM的个人电脑。那时候他们可以非常自由的对第三方的产品进行选择，无论是的操作系统还是用软件。这一标准就是个IBM的系统非常的开放。也加速了产品未来的上市时间。

当然了，John Opel仅仅对这一方案提出了一个要求，那就是必须要带有IBM名称，这样就不会损害公司的质量和可靠性。为此，IBM庞大的质量保证组织必须在产品发布之前签署产品。

一夜成名。IBM 5150个人电脑在1981年上市，售价1565美元，不包括显示器、打印机和软盘驱动器。

IBM的开发团队，对于16位微处理器的选择并没有太多的争论，在当时来看，摩托罗拉的68000微处理器在性能方面无疑是最好的，它拥有最大的逻辑地址空间。这比采用16位内部结构的微处理器要好得多。在未来也能够很容易地扩展到完整的32位结构。

而且最重要的是。68000微处理器是“Big Endian”。“Big Endian”和“Little Endian”这两个是为了在计算机中存储字节的内存。

由于16位微处理器结构是从8位微处理器结构进化来的，那么工程师就必须决定哪一个8位字节首先用在16位结构当中。

英特尔采用了“Little Endian”而IBM则选择了“Little Endian”，这一选择与摩托罗拉相同。

那么在IBM开发的电脑中，摩托罗拉68000微处理器就很好地满足IBM的要求，那么为什么我们今天没有见到采用摩托罗拉68000的计算机呢？

答案还是一个，市场。虽然英特尔8088微处理器对于IBM来说并不是最好的处理器，但是至少它能够实现量产。而摩托罗拉68000微处理器则不行。要知道，IBM的组件认证过程要求制造商能够提供数以千计的已经生产的产品来作为测试样本，以保证产品的寿命和其他特性。IBM为此安排了数百名的工程师从事质量保证工作，以确保组建资格的认证。

而在1978年上半年，英特尔就已经发布了比较成熟的8088产品的样本，但是直到1978年的年底，摩托罗拉68000微处理器依然不能够很好的获得量产。

对于摩托罗拉来说，不幸的是，当时的IBM Boca Raton小组想要尽快的将新的IBM个人电脑打入市场，所以对于他们来说只有两个比较完美的产品可供选择。

也就是英特尔和TI的产品，然而在这两个产品当中，英特尔当时的产品要比天籁TI的产品更加的完美。

虽然并没有获得这次机会，但是并不意味着TMS9900就这样归于死亡，消失于市场。IBM的高级管理人员依然在想方设法将更多的处理器引入他们的电脑。也许在未来的某个时间，IBM将会采用TMS9900呢？当时有这样的想法。

然而，开发团队在之后的过程中又迎来了一点挫折。TI的开发团队主要有两个部门的人员组成。一个是主要开发游戏机的，一个是主要开发个人电脑的。但是他们提出的混合产品，并不适用于其中任何一种应用。

虽然TI最终还是退出了一些产品。比如 TI-99/4，在1979年面向市场，在1981年又推出了后续产品TI-99/4A。都有非常明确的销售目标，可以说在1984年第二次宣布退出家用电脑市场之前。这家公司就以巨大的损失销售了数十万台电脑。

自己在退步，对手在进步，这种差距是显而易见的。在TI不断退步的同时，英特尔的8086处理器则在不断地发展，并克服了它自身的缺点。

而摩托罗拉，也带着其卓越的技术，渐渐的失去了市场的优势，在之后的很多年都难以崛起。

虽然我的主题是关于讨论那场斗争的失败者，但是我也要说一些关于IBM PC操作系统的话题。对于一个16位的微控制器来说，操作系统是一个必然的选择。IBM开发小组为了更好的适应市场，所以他们委托开发了另外一个新的系统，叫做CP/M-86。

但是我们也明白在之后的PC发展过程中，CP/M-86系统逐渐的被微软的系统所取代。因此，我们看到电脑市场在那个时候及之后的岁月当中，无论在操作系统还是微控制器上都在朝着不同的方向发展。

TI-99/4：世界上第一台16位计算机

总结

那么我们能够从这段历史中学到什么呢？

主要有一下三点。

首先，对于任何想要开发新的高新技术产品的公司来说，市场才是最重要的。这一概念在今天的硅谷被称之为最小可行产品。如果你的产品具有某些独特的新功能，那么你的客户就会尝试探索新的方式来使用它，这将会极大的激活这种产品的生命力。

第二点，如果你在经营一家大型公司，想要创建一个轻实体资产的运作模式，那么就要仔细考虑你对这种产品的限制范围，对IBM来说就是如此。可能提供简单的限制要远比重复繁重的认证要好得多，也能够提供更加长远的价值。没有人能够预料到个人电脑在以今后的发展过程中真正的价值在于操作系统的兼容性，而不是硬件。如果那时候是IBM而不是微软控制了操作系统，那么现在的计算机世界将会是完全不同的环境。

第三点，对于那些以旁观者角度观察高科技行业发展的人来说，就是眼睁睁看着巨大的机会从眼前流失。从TI的案例中我们就能够得出类似的经验，在1979年，TMS9900没有赢得通用微处理器的竞争。那么在通用微处理器之后呢？TI将更多的战略集中在了专用微处理器上。这才引出了之后的数字信号处理器TMS320系列发展。

在1983年10月推出的320 DSP产品家族及其衍生产品，发展到目前为止已经几乎占到了TI公司的一般收入，因为公司积累了深厚的技术基础，使得TI在嵌入式处理器竞争中始终处于有利的地位。

正是这一明智的战略，帮助TI扭转了落后的局面，使TI跻身于世界领先半导体公司行列，为公司带来了数十亿美元的芯片销售收入。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1318期内容，欢迎关注。

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