单平台设计可降低充电式电动工具的研发成本-开放平台设计方案

作者：Andy Wang，Allegro MicroSystems 工业电机产品线总监

电动工具的广泛应用增加了产品开发成本和时间表

房主和专业消费者都在从交流供电（有线）工具迁移到直流电池供电（无绳）工具，制造商也在继续从直流向无刷直流（BLDC）迁移。随着这种迁移，对更可靠的工具的需求具有更大的移动性和更长的运行时间，从而催生了大量的行业研发投资。

虽然这些发展令人兴奋，但由此产生的无数新设计和研发周期消耗了宝贵的资源并影响了底线。制造商可以使用利用具有电压范围和栅极驱动器功能的单一通用平台来支持产品组合中产品的设计，从而降低成本。

从电动螺丝刀到锤钻再到链锯，这些工具的商业和工业应用（用于切割、钻孔、磨削、打磨、整形、抛光等）所需的各种电池电压和功率构成了重大的工程挑战。例如，当电池电压为18 V时，电钻可能消耗400 W，而电锯在电池电压高达80 V时可能消耗数千瓦。

由于要求因产品和应用而异，因此每个产品设计中的组件选择也可能有很大差异。具有低电池电压的低功耗产品的典型方法是片上系统（SoC），它为尺寸和成本提供了最优化的解决方案。然而，大多数SoC没有能力驱动更大的MOSFET。设计人员通常使用分立式方法来驱动这些较大的负载，例如带有微控制器单元（MCU）的栅极驱动器。随着电池电压的增加，需要更高额定值的元件。当产品设计需要不同的解决方案时，资源紧张会影响软件工程和硬件工程。最后，通常会开发多个解决方案和平台，每个解决方案和平台都有更多的成本和资源需求。

这些应用图说明了对电动工具栅极驱动器的级联要求。SoC可能能够容纳低功耗设备;然而，中功率和高功率器件需要增加设计复杂性，这也可能需要不同的MCU。所有这些考虑因素都会增加成本。

适用于所有应用程序的单一平台解决方案可减少开发时间和成本

由于依赖使用来自多个供应商的分立组件创建的平台，可以减轻研发支出的增加，重大的物流挑战以及延长的上市时间。一种方法是使用带有栅极驱动器的通用MCU。虽然可以选择同时具有电压范围和栅极驱动能力的栅极驱动器来满足所有应用的需求，但这可能不切实际。具有高电压范围的栅极驱动器通常具有较高的成本，因此对于电池电压较低的应用，将会受到裕量损失。更好的方法是使用两个具有不同电压范围的引脚到引脚插入式替换栅极驱动器。无论电压范围如何，这些栅极驱动器都应具有栅极驱动强度，以支持低功率和高功率应用。

这些栅极驱动器可用作平台中的可互换元件，设计人员可以选择满足电压范围要求的栅极驱动器。在MCU加栅极驱动器架构中使用引脚对引脚栅极驱动器作为直接替代品，将创建一个平台，为产品组合中的所有产品线提供服务。该解决方案最大限度地重用了现有软件和IP，并减少了研发时间和物流费用。

在实现为所有电动工具提供服务的理想单芯片解决方案之前，使用分立元件作为单平台解决方案中彼此的直接替代品可能是降低研发成本的最佳方法，同时为整个电动工具产品线提供服务。由于分立元件的封装和引脚排列因供应商而异，因此找到可互换元件可能意味着找到单一供应商的解决方案。如今，可互换的栅极驱动器可从单个供应商处获得，作为一个产品系列，服务于整个电动工具系列。

与基于MCU的方法相比，最佳方法是使用SoC开发电动工具产品线。这种架构将通过消除外部元件来帮助减小PCB尺寸，这将释放可用于更大电池的空间，或者有助于减小工具的尺寸，减少整体碳足迹。SoC解决方案还将提供更高的可靠性，简化物流并降低成本。

变化是不可避免的 — 立即做好准备

随着业界对无传感器解决方案和物联网的预测，未来的电动工具将提出新的需求。当今 BLDC 电动工具平台中使用的当前解决方案将无法支持未来的许多功能。在未来的某个地方，今天的许多开发平台将需要改进以适应新兴功能。这意味着重新开发电动工具平台的不可避免的费用正在逼近。

如今，电动工具开发人员将从使用单一平台设计产品中受益。分阶段迁移的一种方法可能是从MCU加可互换的栅极驱动器架构开始，然后在新解决方案出现时切换到SoC架构。通过现在计划分阶段重新设计单平台解决方案，该解决方案具有支持当前和预期电动工具需求的适应性，可以大大减少未来研发负担，当新功能出现时，产品线将有望迅速渗透市场。

切换到单平台解决方案是一个重大决定。然而，在存在该功能的未来，很容易想象每个人都将使用基于SoC的方法，以满足其电动工具组合的需求。对于临时MCU加栅极驱动器方法，开发人员需要为这项工作找到合适的可互换栅极驱动器。通过考虑您当前和预期产品线的需求以及单个供应商的离散、可互换组件，您可能能够看到开发单一平台解决方案和级联节省的清晰路径。未来最敏捷的电动工具提供商可能是那些计划并开始迁移到单平台解决方案的人。

审核编辑 黄昊宇