单一平台设计可降低无绳电动工具的研发成本
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
房屋业主和专业消费者都在逐渐从交流供电（有线）的工具迁移到直流电池供电（无线）的工具，制造商也在不断从直流 (DC) 技术迁移到无刷直流 (BLDC) 技术。在此迁移过程中，用户对于便携性更好、续航时间更长、可靠性更高的工具的需求随之而来，由此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项目会消耗宝贵的资源并影响利润。制造商可以在设计中采用具有特定电压范围和栅极驱动能力的单一通用平台来支持产品组合中的一系列产品，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（切割、钻孔、研磨、砂光、成型、抛光等）所需的不同电池电压和功率给工程设计带来了重大挑战。例如，电钻在电池电压为 18V 时，功耗可能为 400W，而电锯在电池电压高达 80V 时，功耗可能为数千瓦。
由于产品和应用的要求差异巨大，因此每个产品设计中的组件选择也可能存在着很大不同。设计具有低电池电压的低功率产品的常见方法就是使用片上系统 (SoC)。SoC 可在尺寸和成本方面提供最优化的解决方案。然而，大多数 SoC 没有能力驱动更大的 MOSFET。设计人员经常使用分立式方法来驱动这些较大的负载，例如使用带有微控制器单元 (MCU) 的栅极驱动器。随着电池电压的增加，需要额定规格更高的组件。当产品设计需要不同的解决方案时，资源不足的问题对软件工程和硬件工程都有影响。最后，通常还会开发多个解决方案和平台，而每个解决方案和平台都会带来更多的成本和资源需求。
这些应用示意图说明了电动工具在各个层级中对于栅极驱动器的需求。SoC 也许能够满足低功率设备的需求，但中高功率设备需要增加设计复杂性，因此也可能需要不同的 MCU。所有这些因素都会增加成本。
适用于所有应用的单一平台解决方案可缩短开发时间并降低成本
如果依赖于使用来自多个供应商的分立元件构建的平台，可能会导致研发支出增加、后勤挑战巨大和上市时间延长等问题，但这些问题有一些解决方法。一种方法是使用通用 MCU 和栅极驱动器。尽管有可能选择具有相应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，但实际可能无法做到这一点。具有高电压范围的栅极驱动器通常也具有更高的成本，因此对于电池电压较低的应用来说，会造成利润损失。另一种更好的方法是使用两个具有不同电压范围的引脚对引脚直接替代型栅极驱动器。无论电压范围如何，这两个栅极驱动器都应该具有足够的栅极驱动能力来支持低功率与高功率应用。
这两个栅极驱动器可以用作平台中的可互换元件，因此设计人员可以选择满足电压范围要求的栅极驱动器。在“MCU + 栅极驱动器”的架构中使用引脚对引脚栅极驱动器作为直接替代元件将会构建一个适用于产品组合中所有产品线的平台。这种解决方案可以最大限度重复利用现有软件和 IP，并减少研发时间和后勤支出。
在实现适用于所有电动工具的理想单芯片解决方案之前，在单一平台解决方案中采用分立元件作为彼此的直接替代元件，可能是针对整个电动工具产品线降低研发成本的最佳方式。由于分立元件的封装和引脚分配因供应商而异，因此找到可互换元件就是找到了“单一供应商”解决方案。目前，可以从单一供应商处以产品系列的形式获得适用于整个电动工具系列的可互换栅极驱动器。
比基于 MCU 的方法更优的方法是使用 SoC 来开发电动工具产品线。这种架构可通过消除外部组件来帮助减小 PCB 尺寸，从而腾出空间用于容纳更大的电池，或帮助减小工具的尺寸，从而降低总体碳排放。SoC 解决方案还将提高可靠性、简化后勤并降低成本。
变革势在必行，即刻做好准备
随着业界对无传感器解决方案和物联网的期待，对未来的电动工具也将提出新的需求。目前在 BLDC 电动工具平台中使用的解决方案将无法支持未来的许多功能。在未来的某个时间，目前的许多开发平台都需要进行改造以适应新的功能。这意味着重新开发电动工具平台的支出正在迫近且不可避免。
电动工具开发人员目前会受益于采用单一平台进行产品设计。一种分阶段进行迁移的方法可能是首先采用“MCU + 可互换栅极驱动器”的架构，然后随着新解决方案的出现再切换到 SoC 架构。通过尽快规划分阶段的重新设计，构建一种可适应当前和未来电动工具需求的单一平台解决方案，可以大大减轻未来的研发负担，并确保在新功能出现时产品线可以从容不迫地快速进入市场。
切换到单一平台解决方案是一个重大决定。不过，在未来实现这一功能后，很容易想象，所有开发人员都会使用基于 SoC 的方法来满足其电动工具产品组合的设计需求。对于过渡的“MCU + 栅极驱动器”方案，开发人员需要找到适合的可互换栅极驱动器。通过审视您当前和未来产品线的需求以及单一供应商的可互换分立元件，您也许能够找到开发单一平台解决方案并实现“一连串节省”的清晰路径。未来最灵活的电动工具提供商很可能是那些现在就着手规划并开始迁移到单一平台解决方案的提供商。
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Originally published by EETimes, May 2022. Republished with permission.