1. 引言

2024年，邁來芯（Melexis）推出了MLX90416/18，這是全球首款適用于30-60W功率范圍的無感單線圈BLDC電機驅動器。這一創新技術正重新定義我們對電機和風扇控制系統的處理模式。相較于傳統AC電機設計，它提供了更為高效的解決方案；和三相BLDC電機解決方案相比，其成本效益優勢更為顯著。

1.1 傳統電機設計面臨的挑戰

在從消費電子到工業系統的眾多領域中，AC感應電機或三相BLDC電機長期被視為首選解決方案。然而，這些電機在實際應用中存在明顯的權衡問題，對效率和可擴展性形成了一定限制：

AC電機：雖向來以成本效益著稱，但與BLDC電機相比，其效率往往較低，性能表現也相對遜色。

三相BLDC電機：具備出色的效率和性能優勢，但需要配備復雜的驅動器以及更多組件。這不僅增加系統設計和集成的難度與周期，又提高制造商成本，最終轉化為用戶的購置使用負擔。

1.2 ‘NoHall’無霍爾解決方案

MLX90416/18 直接應對上述行業挑戰，巧妙融合了BLDC電機的高效特性與單線圈電機結構的簡易性與成本優勢。作為一體化解決方案，它比分立式方案可靠性更、所需組件數量更少。其免代碼設計特性無需任何軟件開發工作，同時提供可配置選項，方便對應用進行精準微調，從而有效降低設計成本、縮短開發時間，加速產品上市進程。此外，MLX90416支持將單線圈電機的功率范圍擴展至最高 60W。

邁來芯（Melexis）在單線圈電機控制領域深耕已久，為單線圈BLDC電機打造了業內領先的一體化驅動器。作為 MLX90416/18 核心的’NoHall’無霍爾技術，是邁來芯在單線圈電機控制領域的又一重大創新成果。該技術無需依賴反饋傳感器，而是借助集成電機控制器算法，對電機的電信號展開智能處理。

這種創新的無感方案，讓設計人員能夠將BLDC電機部署在電機外部，進而實現電機模塊的優化，并簡化模塊設計。而且，它支持在多種電機設計中使用同一PCB板，無需重新設計，顯著降低了制造復雜度、設計工作量以及物料清單（BoM）成本。

為進一步降低研發成本、減輕開發工作量，MLX90416與MLX90418集成了更為豐富的數字功能。這些功能涵蓋具備8個設定點的靈活傳輸曲線選項、I2C接口、雙向操作功能，以及適用于服務器應用的特定功能（如順逆風啟動、掉電制動、交流失電功能等）。

從消費電子、白色家電及家用設備領域，到工業或服務器應用場景，該一體化解決方案均有著廣闊的應用空間。無論是風扇、鼓風機還是泵類設備，MLX90416/18 都能以更低的成本、更長的使用壽命以及更卓越的性能為其提供強勁動力。

2. 什么是單線圈BLDC電機？

單線圈BLDC電機，是一種僅采用單個繞組或線圈充當定子的無刷電機類型。其典型結構設計包含一個內置固定線圈繞組的內定子，以及一個配備永磁體的旋轉外轉子。

該電機的運行機制在于，通過向電機線圈輸送不同方向的驅動電流，在定子中激發出旋轉磁場。此時，轉子上的永磁體與這個旋轉磁場產生相互作用，進而使轉子受到吸引力和排斥力的共同作用。

定子被特意設計成具有不對稱氣隙或定子磁極的樣式，這種設計會產生齒槽轉矩。當電機停止運轉時，該轉矩會將轉子固定在已知的齒槽位置。這一特性使得控制器能夠精準確保轉子以正確的方向啟動。

單線圈BLDC電機的簡潔設計，有助于降低制造環節的復雜程度，同時還能維持較高的運行效率。

2.1 無刷電機的優勢

在對可靠性、使用壽命以及效率有著嚴苛要求的應用中，BLDC電機相較于DC電機，通常更受市場青睞，這主要得益于其以下幾方面顯著優勢：

效率卓越：無刷電機因不存在電刷，避免了電刷摩擦帶來的能量損耗，能夠將更多電能高效轉化為有效運動，同時運行過程中產生的熱量也更少。

功率密度出眾：這類電機結構設計緊湊合理，在有限的體積和重量條件下，能夠輸出更大的功率，對于空間受限的應用場景，具有不可替代的重要價值。

使用壽命長久且維護成本低廉：由于不存在電刷磨損的問題，BLDC電機的使用壽命顯著延長，所需的維護工作也更為簡便。

電氣噪聲微弱：無刷電機因摒棄了電刷，運行時產生的電氣噪聲極小，這一特性對于對環境噪聲敏感的電子設備或醫療設備等，具有極大的應用優勢。

2.2 單線圈與三相BLDC電機的爭論

電機選型時，單線圈BLDC電機與三相BLDC電機的抉擇，主要取決于具體應用場景所提出的要求，不過歸根結底往往是在成本與性能之間進行權衡取舍。

單線圈BLDC電機

具有結構簡單的顯著優勢，成本效益極為突出。其所需的控制電路復雜程度較低，這使得電機設計過程更為簡便快捷，進而有效降低了制造成本。

三相BLDC電機

能夠輸出更高的扭矩以及更平穩的功率輸出，運行過程中產生的噪音更低、振動更小。然而，其需要配備更為復雜的控制系統，這也直接導致了成本的增加。

單線圈BLDC電機更適用于對成本極為敏感的低功率應用場景，而三相BLDC電機則在高功率、高效率需求的應用中更具優勢。邁來芯（Melexis）依托MLX90416與MLX90418兩款產品，推出一體化、高性價比且高效的解決方案，拓展了單線圈BLDC電機的功率范圍。

3. 單線圈BLDC電機是如何控制的？

在單線圈電機的運行機制里，換向指的是定子線圈中電流方向發生逆轉的關鍵時刻。當電流方向反轉時，所產生的磁場會隨之改變極性，進而吸引或排斥下一個轉子的永磁磁極。為了確保電機能夠持續穩定地旋轉，控制器必須精準掌握轉子的位置，以此確定最佳的換向時機。

傳統上，單線圈BLDC電機主要依靠霍爾傳感器來實現精準控制。霍爾傳感器被安裝在電機模塊內部的小型PCB板上，其核心功能是感應轉子的磁場變化，并將這些變化轉化為電信號，為正確換向提供必不可少的反饋信息。通常情況下，該PCB板還集成電機控制器、驅動器以及其他電子元件。

然而，將PCB板安裝在電機模塊內部增加了額外的機械限制，使得電機的整體設計復雜度上升。在風扇應用場景中，為了適配PCB板，往往需要對轉子和葉片的設計進行相應調整，這無疑增加了設計難度和成本。此外，在存在流體的泵類應用中，要將霍爾傳感器放置在距離轉子足夠近的位置，也面臨著不小的挑戰。

3.1 為何選擇無感控制？

正如其名稱所暗示的，’NoHall’無霍爾產品系列摒棄了霍爾效應傳感器的使用。取而代之的是，它借助先進的算法與信號處理技術，直接從電機的電信號中精準提取所需的轉子位置信息。盡管這一技術在單線圈BLDC電機領域屬于創新之舉，但在三相BLDC解決方案市場中，它早已得到廣泛應用并獲得了市場的認可。對于小型單線圈BLDC風扇、鼓風機和泵而言，這一看似微小的改變實則帶來了諸多顯著優勢：

設計更簡潔、緊湊：集成無感控制以及其MCU功能的 MLX90416/18 系統集成，有效精簡物料清單，實現更為緊湊的設計。這一改變不僅減少組件的數量，還切實降低成本，同時節省PCB板空間。

設計更具靈活性：無感設計賦予電子元件放置位置更高的靈活性，使其能夠遠離電機本體進行布局。這一特性有助于進一步優化風扇的設計，同時也可極大地簡化泵系統的設計流程。

3.2無感控制：電機控制領域的一項突破

盡管無感三相或單線圈BLDC電機控制在諸多方面展現出顯著優勢，然而我們也要清醒地認識到，無感控制算法相較于使用霍爾傳感器的控制算法，其復雜程度更高。

電機啟動：無感BLDC電機在實際應用中，面臨的一大棘手難題便是電機啟動。’NoHall’無霍爾專利電機控制IP確保電機在啟動時以正確的方向運轉，實現平穩、可靠的啟動過程。

應對控制復雜性：’NoHall’無霍爾專利電機控制IP為無感控制提供了必不可少的先進控制電路和算法支撐。針對電機運行過程中可能出現的故障情況，如堵轉等，該 IP 也專門設計了相應的檢測算法。

4. 將PCB板外置有哪些優勢？

將PCB板從電機單元中移至外部，這一設計變革帶來了多方面的顯著優勢，深刻影響著系統的設計、性能、維護以及可靠性。在高溫、多塵、潮濕等惡劣環境，如工業風扇、鼓風機或泵的應用場景中，其優勢尤為突出。

■簡化系統設計，實現資源重復利用：把PCB板與電機分離，使得單個PCB板能夠靈活應用于多種不同場景。這一改變不僅有效降低整體設計復雜度，削減成本投入，還能縮短產品上市時間。以風扇設計為例，沒有了PCB板的機械限制，用戶能夠更加自由地優化轉子和葉片的設計，從而提升風扇的性能和效率。

■推動模塊化設計，簡化故障排查與維修：PCB板外置后，用戶可以采用模塊化的設計理念來構建系統，將電機、PCB板等不同組件根據實際需求放置在不同位置。這種設計方式為整個系統的布局提供更大的靈活性。此外，當某個獨立部件出現故障時，無需對電機單元進行拆卸操作，即可方便快捷地進行檢修或更換。這有助于實現更快速的維修，對于那些對停機時間要求極為嚴苛的系統而言，具有至關重要的意義。

■優化熱管理：當PCB板緊鄰電機放置時，電機線圈在運行過程中產生的熱量以及周圍環境的影響，可能會使PCB板暴露在高溫環境中。而將PCB板置于外部后，電子設備能夠獲得更充足的氣流，或者處于更有利于散熱的環境中。這有助于有效防止電子設備過熱，確保其性能更加穩定可靠，同時還能延長電機驅動器、控制器和電容器等敏感組件的使用壽命。

■增強防塵防潮能力：在許多應用場景中，風扇等設備往往處于灰塵、濕氣或碎屑容易堆積的環境中。如果PCB板安裝在風扇內部，這些因素可能會對其產生潛在的損害。而將PCB板外置后，可以將其安置在更具防護性的環境中，例如密封、防塵或防水的外殼、連接器內，或者處于氣流良好、能使污染物遠離組件的位置。

■隔離振動影響：電機單元在運行過程中通常會產生一定程度的振動，這些振動可能會對PCB板上的組件和焊點產生負面影響。將PCB板置于外部，能夠使其遠離電機單元，從而免受機械應力和振動的影響，確保電子設備的穩定運行。

4.1 實際應用

在無感控制系統中，采用將PCB板外置，并搭配MLX90416/18一體化免代碼驅動器的方式，能讓多個實際應用場景從中獲益：

工業風扇和鼓風機：工業環境的條件通常較為惡劣，存在高灰塵、高濕度、高溫以及振動等問題。把PCB外置后，可將其放置在防護性能更佳的外殼（或遠程控制箱）內，從而更好地抵御這些不利因素。此外，獨立的PCB和電機單元也便于進行維護與修理

水泵：許多水泵在潮濕、濕潤或具有腐蝕性的環境中運行，水或化學物質的接觸可能會損壞內部的電子元件。將PCB從電機外殼中移出（可放置在密封的防水外殼中），能使水泵實現水下作業，同時無需特殊涂層即可保護電子元件。這提升了諸如泳池或水族箱水泵以及工業水泵等應用的可靠性，這些水泵需要長時間平穩運行且無需維護。

家用電器：像真空吸塵器和吹風機這類小型設備，能夠從MLX90416/18一體化解決方案的緊湊設計、功能集成和耐用性方面受益。外置PCB可保護其免受灰塵或高溫的影響，進而提高電器的整體耐用性。

排氣扇：無論是廚房還是浴室的排氣扇，通常都會接觸到高溫和濕氣。將PCB置于外部外殼中，可保護電子元件免受這些環境因素的影響，同時也便于維修。

熱風分配風扇：用于分配熱風的風扇，例如烤箱或空氣炸鍋的風扇，會面臨高溫環境。外置PCB可以將電子元件放置在更有利于散熱的環境中，確保實現更好的熱管理，提高耐用性并延長使用壽命。

5. 結論

MLX90416/18一體化、免代碼、無感單線圈BLDC驅動器堪稱一項具有變革意義的解決方案。它集簡便性、高效性與成本效益于一身，適用的應用場景極為廣泛。該驅動器無需霍爾傳感器，可提供無感控制，這一特性簡化了電機設計流程，不僅降低了成本，還縮短了產品的上市時間。同時，它顯著提升了產品的可靠性與耐用性，進一步拓展了單線圈BLDC電機的功率范圍。此外，其免代碼的特性意味著無需進行任何軟件開發工作，大大減少了開發工作量，進而降低了開發成本。

這一創新成果正在改變我們在從消費電子到工業系統等各領域的電機控制方式，在成本、性能以及可持續性方面均展現出顯著優勢。