出貨30億顆電機驅動芯片，Allegro是怎么做到的？

隨著汽車行業中電氣化和高級駕駛員輔助系統的發展步伐不斷加快，對高性能電機驅動器的需求不斷提升。汽車制造商需要能夠應對當今汽車內部嚴苛條件的產品，同時可達到更高安全標準，幫助延長充電周期之間的電池壽命，并減輕系統重量。

另外在過去的十年里，工業領域也出現了對電池供電設備的巨大需求，這類設備的技術關注重點是增大了各種應用兩次充電之間的運行時間，例如倉庫中執行訂單揀貨的機器人，以及無繩電動工具等消費類產品中。隨著這類電池供電的電機驅動設備越來越多，選擇適合的電機驅動器成了研發工程師們不得不面對的一道難題。

一款優秀的電機驅動器，需要提高效率并集成更多功能，幫助制造商在各種應用中降低整體系統成本、減少組件數量簡化物料清單（BOM）。在細分領域還有特定的要求，比如在汽車電氣化應用中要能夠降低噪音，在電池供電設備中要減小封裝尺寸和提高易用性來滿足甚至超過客戶需求。

Allegro是誰？

2022年5月，運動控制和節能系統傳感技術和功率半導體解決方案廠商Allegro MicroSystems宣布達成第30億顆電機驅動器芯片出貨，這樣的發展勢頭不禁令人對這家公司產生了濃厚的興趣。

采訪了Allegro MicroSystems電機（工業）產品線總監 Andy Wang，從該公司的技術優勢、產品布局，到市場客戶策略和社會責任，為大家揭秘這家公司，并了解30億顆芯片出貨的背后有著什么樣的技術優勢。

據介紹，Allegro創立于1990年，已經服務于電機控制行業有數十年之久。多年來，其電機驅動器業務取得了長足增長，從汽車到工業再到消費品的各個行業，Allegro的電機驅動芯片很可能存在于大家每天都在使用的電子設備中。

Allegro產品設計的目標是讓客戶的設計更簡單、體積更小、更安全。“我們電機驅動器芯片上的許多優勢，都可以轉化為客戶產品設計方面的優勢，” Andy Wang說到，“包括減小 PCB 尺寸，減少集成過程中所需的研發費用等。”通過把先進的專有算法集成到硬件，還能夠顯著提高效率，縮短產品上市時間。 

一些增長快速的新興市場客戶，缺乏專門針對電機驅動器的軟件開發資源，因而經常依賴自由職業者和承包商程序員。Allegro通過將代碼直接嵌入到 IC，能夠幫助這些客戶顯著降低開發負擔，這有助于他們更快地進入市場。

2019年，Allegro公司推出 QuietMo??tionTM 電機驅動器時，其中就包括首次面市的磁場定向控制 (FOC) 無刷直流 (BLDC) 電機控制器，無需客戶編寫代碼，可以使用直觀的圖形用戶界面訪問這些設置。

以數據中心應用為例闡述技術優勢

當前從事電機驅動廠商很多，從歐美日本的大廠，再到中國目前層出不窮的新創半導體公司，各家都有自己的特點。Allegro產品的優勢在哪里呢？

以電機驅動在數據中心的應用為例，以往當服務器風扇發生故障或損壞時，空氣回流會導致它們反向旋轉，其它正常運轉的風扇必須加倍地工作以補償由此產生的回流氣流，這會增大電力消耗。防止反向旋轉的傳統解決方案是添加外部電路和組件作為斷電制動器，但這些組件不適合于1U 風扇。而且這種傳統方法需要軟件編碼，增大物料清單 (BoM)和系統體積，并延緩上市速度。

針對這些痛點，Allegro最新推出的數據中心解決方案A89332，擴大了三相無感BLDC柵極驅動器的產品組合，該方案集成了先進的斷電制動功能，這有助于提高數據中心工作環境的安全性，并降低數據中心的能源消耗。

據Andy Wang介紹，Allegro這些驅動器具有創新的集成式斷電制動（PLB） (A89332) 和交流斷電 (A89332-1) 功能，通過對工作不正常的風扇施加制動來阻止其反向旋轉，減少氣流回旋，從而幫助降低不必要的電力消耗。這種集成解決方案所提供的制動性能是分立方案的四倍，能夠減小不必要的能源消耗，提高熱效率，最終降低數據中心成本。

A89332 和 A89332-1均采用 26 觸點 4mm x 4mm QFN 封裝，帶有外露散熱焊盤（后綴 EX）。兩款器件均不含鉛，采用 100% 霧錫引線框電鍍。通過結合 A89332-1 的 AC斷電邏輯，Allegro 現在能夠憑借小封裝，尺寸比同類產品小36%的柵極驅動器服務高端服務器市場，非常適合于“甜甜圈式（donut）”電路板設計。

同時Allegro 還提供服務器散熱風扇免代碼解決方案，公司創新的嵌入式算法和圖形用戶界面 (GUI) 無需額外的霍爾效應位置傳感器和電機控制單元 (MCU)，也無需額外的軟件開發，這有助于系統設計人員降低研發成本，簡化電機調試，并縮短上市時間。由于對外部組件的需求減少，有助于進一步優化系統成本，提高可靠性，而集成式功能在客戶面臨嚴格的設計要求時可提供更高靈活性。

Andy Wang表示：“業界對于運行更可持續、耗電量更少的數據中心需求正在加速增長，這不僅僅是需要建造低維護的‘熄燈式’設施，服務器和相關設備設計人員也正在尋找新的方法來減少熱量和電力消耗，而風扇在其中發揮著重要作用。一段時間以來，我們一直在專注于數據中心市場，隨著 A89332 和 A89332-1 的推出，冷卻系統的控制將得以大幅改進，能夠實現更高效率。”

未來電機驅動器發展趨勢

有觀點認為目前電機驅動硬件提升的空間已經不大，要實現各家產品差異化主要看軟件、算法和仿真。對此Andy Wang表示，就硬件而言，Allegro在不斷創新和改進硬件設計，特別是電機驅動器芯片。“同時，Allegro在軟件和算法設計方面所取得的進展非常明顯，能夠進一步改進電機驅動器硬件的實施，從而提高系統性能。”

而目前MCU中集成電機驅動器的做法，有獨立驅動器 + DSP或MCU集成驅動器，哪一種方法會是未來電機驅動的趨勢？Andy Wang相信兩者將長期共存，因為獨立的MCU能夠為客戶提供更靈活的方案；另一方面，電機驅動器加上 DSP 和 MCU 的替代解決方案則能夠為客戶提供更高級別的集成，從而減小系統的尺寸。

“Allegro 擁有適用于這些系統設計方法的所有解決方案。”他補充道。

近年來，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）功率器件逐漸普及，有望在電動汽車和綠色能源等應用中迅速取得一定市場份額，也給電機驅動器設計帶來了的新思路。傳統的驅動器解決方案通常需要較大占位面積和附加組件，例如需要笨重的變壓器或濾波器、單獨的 PCB 和連接器，這樣才可以實現EMC合規性，并滿足安全法規。

“而寬禁帶器件為設計人員提供更高的效率、更高的開關頻率、更高的工作溫度以及在嚴苛工作條件下的更高可靠性。” Andy Wang指出。

Allegro最近宣布意向收購Heyday Integrated Circuits，后者是一家專注于設計和提供緊湊型、完全集成的隔離式柵極驅動器的公司，其產品可在高電壓氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導體設計中實現高效能量轉換。

在此次收購完成后，將大大加快Allegro為綠色能源、先進移動性和運動控制解決方案等市場提供高壓設計領先節能技術平臺的努力。

“30億”里程碑達成，助力“雙碳”不停步

當前，在當前碳達峰、碳中和以及節能減排的大背景下，人們對電機變頻控制提出了更高的要求。例如電機控制PCB越做越小，要求芯片的集成度更高，同時電機運行要求平穩少噪音，在運行效率上也對芯片運算能力提出更高要求。

與此同時，全球對更高效工業產品的需求增長快速，工業領域出現了對電池供電設備的巨大需求。無論是電動汽車還是電池供電的工業設備，都在追求節能和延長電池壽命，以達成碳中和、碳達峰的要求。

Allegro的產品設計理念，一直以來都致力于幫助客戶應對碳排放和能源效率以及清潔、可再生能源等相關的全球性挑戰，并以此創造積極的環境和社會效果。Allegro對半導體設計和制造采取可持續性優先的策略，在公司整個供應鏈和運營中都整合有可持續發展規范。

就電機驅動器而言，一些應用正在從 12V 轉向24V甚至48V系統，Allegro的一項技術創新是使用戶能夠以更高的電壓運行電機，從而降低電流，從而減少能量損失。除了混合動力和電動汽車之外，Allegro 電機驅動器還可用于其它能夠減少環境影響的應用，包括太陽能電池陣列、數據中心冷卻風扇、高效HVAC系統等。未來他們也將繼續在新產品開發中不斷突破，以降低能耗、延長電池壽命并最大限度地減少碳排放。

Andy Wang表示，創新是 Allegro DNA 的核心，公司一直在尋求改進現有的設計，并為解決復雜和具有挑戰性的問題提供新的解決方案。電機驅動器出貨量超過30億是一個里程碑，這見證了Allegro在市場的持續成功和快速增長。“以重新定義傳感和功率半導體技術的未來為使命，Allegro 將繼續致力于為從綠色能源到先進的運動控制系統開發更智能的解決方案，為客戶提供更大的競爭優勢并推動技術的進步。”