關鍵詞： PSoC , MCU , 家電 , 家用電器

作者：賽普拉斯半導體公司Ronak Desai

微控制器單元（MCU）被廣泛應用在洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、電冰箱等多種家用電器中。MCU可主要用于電機控制、模擬傳感器測量、前面板鍵盤控制以及在LED/LCD上顯示結果等。本文將重點討論通過采用可編程片上系統（PSoC）器件，從而提供集成方法來實現上述系統功能的家電設計。

面向電機控制和TRIAC/ LED/ LCD驅動應用，家用電器行業采用了8/16/32位微控制器電路。微控制器可控制和管理電器的全部功能和特性。當用戶按下“開始”按鍵時，輸入信號從前面板鍵盤傳到微控制器，接著MPU啟動三相無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）。電機速度將根據前面板鍵盤中的用戶輸入實現變化和控制。

微控制器采用內部或外部串行EEPROM（基于I2C/SPI）存儲舊數據，并使用RTC顯示準確的時間信息。溫度測量則可采用基于板上RTD、熱敏電阻或熱電偶的溫度感應器件來實現。

微控制器采用一個外部ADC和多個放大器接收來自傳感器、溫度及電池等不同的模擬輸入。其使用外部信號調節、比較器和門驅動器電路來驅動和控制三相BLDC/ PMSM電機。此外，微控制器還能通過IR接收器接收遙控輸入（38 kHz的輸入）。

需要采用外部緩沖驅動電路來驅動7段LED/LCD/圖形顯示器。通常情況下，具有背光源的7段LED/LCD/圖形顯示器可用于顯示溫度、電池輸入、速度值和錯誤/警告消息。此外，微控制器還可連接I2C/ SPI等板上外設，以及UART/USB通信等外部外設。

洗衣機中的MCU

洗衣機中的MCU包含以下模塊：

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圖1：采用MCU的洗衣機方框圖

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圖2：采用集成SoC的洗衣機方框圖

在洗衣機中，MCU通過一個外部ADC接收不同的模擬輸入（如水位傳感器、水硬度傳感器、濕度傳感器、開門傳感器、洗衣負載傳感器、光學傳感器、洗滌劑濃度傳感器、負載失衡傳感器和容量傳感器等）。通過板上RTD實現溫度感應，并采用外部EEPROM存儲數據，如定制洗滌程序、存儲器備份、兒童鎖以及洗衣偏好等。微控制器還可支持洗衣機自動調節水量并關機。

此外，MCU還可控制自我診斷功能，包括供水故障、旋轉故障、排水故障、兒童鎖、防溢出及開門等。時鐘和定時器可用于實現休眠模式并在工作中添加延遲（延遲啟動條件）。蜂鳴器（PWM型）不但能夠生成不同頻率的音調，還能在過載情況下提供警報音。洗滌完畢后，微控制器還能自動關閉機器，從而節省電力。

空調中的MCU

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圖3：采用MCU的空調方框圖

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圖4：采用集成SoC的空調方框圖

在空調中，MCU通過一個外部ADC接收不同的模擬輸入（傳感器輸入）。通過板上RTD和熱敏電阻實現溫度感應，并采用外部EEPROM存儲數據（設置溫度值）。MCU通過使用PWM和比較器控制外部BLDC電機和風扇。此外，MCU還可接收用于凈化的各種濾波器輸入。

用戶可設置所需的溫度，微控制器則根據所設溫度值控制電機和壓縮機。此外，微控制器采用繼電器驅動器和TRIAC驅動電路關閉電力線AC到系統的輸入，使用時鐘和定時器設置休眠模式、自動斷開功能以及24小時開關定時器功能，并利用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調。此外，微控制器還可控制自我診斷特性，并包含自動重啟（在電源故障時會自動讓空調恢復到此前的設置）和過流保護等功能。

微波爐中的MCU

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圖5：采用MCU的微波爐方框圖

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圖6：采用SoC的微波爐方框圖

在微波爐中，微控制器通過一個外部ADC接收模擬輸入（重量傳感器、濕度傳感器、容量傳感器、CT電流傳感器）。通過板上RTD和熱敏電阻實現溫度感應，并采用外部EEPROM存儲數據，如兒童鎖和可重復編程的烹飪數據等。

MCU可控制自我診斷功能，并包含自動重啟（在電源故障時會自動讓微波爐恢復到此前的設置）、自動除臭、自動保護及防溢出等功能。

微控制器使用時鐘和定時器實現休眠模式并在工作中添加延遲，采用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調。除此之外，其還能在工作完成時自動關閉微波爐，或在未使用/（用戶）未設置時進入休眠模式，從而節省整體功耗。

吸塵器中的MCU

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圖7：采用MCU的吸塵器方框圖

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圖8：采用集成SoC的吸塵器方框圖

在吸塵器中，MCU采用PMW和比較器驅動和控制三相電機（BLDC），并通過一個外部ADC接收不同的模擬輸入（加速計、CT電流傳感器和吸力傳感器）。通過板上RTD和熱敏電阻實現溫度感應，并采用外部EEPROM存儲數據。此外，微控制器還可接收不同的濾波器輸入（用于對空氣濾波器進行監控）。

在吸塵器中，微控制器使用時鐘和定時器實現休眠模式并在工作中添加延遲，采用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調。此外，微控制器還利用繼電器驅動器和TRIAC驅動電路來切換電力線AC輸入的開/關。

電冰箱中的MCU

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圖9：采用MCU的電冰箱方框圖

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圖10：采用集成SoC的電冰箱方框圖

在電冰箱中，微控制器通過使用PWM和比較器來驅動和控制三相電機（BLDC/ PMSM），從而根據用戶輸入控制風扇。此外，微控制器通過外部ADC接收不同的模擬輸入（水位傳感器、濕度傳感器、冷卻傳感器、變溫室傳感器、開門傳感器、CT電流傳感器等）。它還接收霜凍/濕度檢測、水/冰分配器等其它輸入。通過內外部溫度傳感器（RTD和熱敏電阻型）實現溫度感應，并采用外部EEPROM存儲舊數據，如定制程序、存儲器備份、兒童鎖和偏好等。MCU還可支持電冰箱自動適應斷電情況。

用戶可設置電冰箱內所需的溫度，微控制器則根據所設溫度控制電機和壓縮機。此外，微控制器還能通過有效改變壓縮機的速度來控制并調節熱流。自我診斷功能包括供水故障、冰制冷故障、具有存儲器備份的自動重啟、兒童鎖、防病毒保護裝置、自動平衡系統、防溢出和開門檢測等。

微控制器使用時鐘和定時器來設置定時器和日歷，實現休眠模式，并在工作中添加延遲。它用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調，并在長時間開門情況下發出警報。

在關門情況下微控制器會自動關閉某些功能，從而節省整體功耗。即使在斷電（休眠模式）情況下，它通過供應冷空氣來延緩溫度的上升。用戶可將電冰箱設置為切斷狀態（holiday mode），從而讓MCU以最低能耗模式（休眠模式）運行。MCU可為電冰箱提供不同的內外部接口，包括通過USB、UART等提供的FM無線電、MP3播放機、均衡器、移動充電器等接口。

在家用電器解決方案中實現PSoC

可編程SoC器件將具有可編程邏輯以及高性能模數轉換功能的微控制器與常用的固定功能外設完美結合，讓開發人員能夠在MCU中集成更多組件和功能，從而減少組件數量、減小PCB面積、降低系統成本并提高電源效率。此外，SoC器件還包含集成閃存、SRAM和EEPROM。

各種數字和模擬組件可用于支持多種電器功能。內部RTC可取代外部時鐘/振蕩器電路。同樣地，USB和安全數字（SD）卡等集成接口可讓SoC無需采用外部控制器也能通信。集成DAC、ADC、PWM和比較器資源對系統進行了進一步集成，僅使用單個SoC就能提供電器所需的各種功能。

無傳感器式電機控制

無傳感器式電機控制方法不需要霍爾傳感器，它采用反電動勢零交點檢測技術來控制電機運動。當電機旋轉時，每個線圈都會產生一個電壓，被稱為反電動勢（Back EMF），這個電壓與線圈供電的電源電壓相反，反電動勢極性也和用于激勵線圈的電壓相反，同時其大小與電機轉速成正比。

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圖11：采用集成SoC的無傳感器式電機控制

在圖11中，三相反電動勢信號端接，DC總線擴展并路由到SoC。SoC使用MUX將端接輸入切換到比較器，并將其與DC總線電壓進行比較。級聯數字邏輯將濾出PWM信號，從而獲得真正的零交點信號。微控制器將根據此信息決定整流。

可選的電流控制將應用于PWM輸出控制，以調節電機的電流。內環路基于比較器，反饋總線電流將與12位DAC提供的參考電流值進行比較。改變DAC輸出將更改輸出電流值。

基于傳感器的（霍爾效應）電機控制

基于傳感器的無刷電機控制采用霍爾傳感器輸入來檢測轉子位置，從而控制電機運動。它將霍爾傳感器輸入提供給微控制器，并以閉環系統方式工作。這對于自動速度鎖定系統非常有利。

設計挑戰

選擇具有更高CPU內核、更快ADC（>= 500Ksps @ 10-bit）的高性能智能型微控制器，并內置閃存、SRAM存儲器、EEPROM以及模擬和數字外設，這對于實現高性能模擬測量、三相電機控制、LCD驅動、低功耗工作、RTC以及不同外部協議接口等關鍵功能而言至關重要。此外，許多SoC器件還支持電容式感應，無需使用機械部件即可實現高穩健性按鍵、滑條以及接近感應型界面。微控制器可控制LED與電容式感應，從而顯著簡化前面板設計。

實現電壓波動保護是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

實現防水功能和耐水特性是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

實現通用電源和通用系統是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

選擇具有低Ron和低門電容的功率MOSFET是驅動三相汽車電機的關鍵。

采用高功率MOSFET驅動電路進行電路板設計以及充分滿足電源的較高板上電流要求，是電路板設計人員面臨的一大設計挑戰。

對于涉及機電構造的電器而言，為電器應用設計出低成本緊湊型機電解決方案是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

讓上述機電設計獲得EMI/EMC標準認證是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

家用電器應用需要故障檢測和恢復機制。家用電器應用同時也需要具有電池保護、過流保護、過熱保護以及啟動故障條件等功能的電源設計。在家用電器應用中實現自我診斷功能是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

由于上述解決方案需要確保全天候持續工作，因此組件選擇和可靠性顯得至關重要，這也是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。

具有一次性可編程(OTP)特性的微控制器能避免固件遭到競爭對手和黑客的惡意反向工程破壞。

系統限制以及采用PSoC可改善之處

電容式感應技術采用觸摸鍵盤取代機械按鍵。這不僅可減少由于機械按鍵造成的故障，還能提高產品的可靠性。許多SoC提供可隨時投產的庫和設計工具，能自動調校按鍵和滑條的敏感度，從而無需在設計周期中進行手工調校。此外，家用電器解決方案采用的電容式感應界面也需要具備防水功能。因為它可支持前鍵盤的接近感應功能，也就是說當手指靠近鍵盤時就能激活前鍵盤。

前面板實現觸摸屏設計，取代一般的LCD顯示屏和鍵盤，從而可提高用戶界面質量和靈活性。

iPod/iPhone等外部設備：SoC能通過UART和USB協議與iPod/iPhone實現通信。用戶能在家用電器上控制iPod/iPhone設備，并對其進行充電。

由于其可編程特性，SoC器件必須支持家用電器的代碼安全性，可能還要實現藍牙等個人局域網技術，這樣用戶就能創建自動化家用電器網絡。

微波爐等家用電器的語音指導功能可幫助用戶一步步完成烹飪工作。如欲采用自動調校的菜單，用戶需按下一次按鍵，語音將一步步介紹操作步驟。而這種功能也能通過SoC實現。

故障分析與返修材料：電路板上內外部接口數量的增多將會加大破壞者或黑客給系統制造麻煩的機會。單芯片解決方案則將解決嵌入式系統所面臨的這一最大限制。

我們目前采用基于微控制器的架構來實現家用電器解決方案。今天的可編程片上系統（PSoC）架構完美結合了微控制器和ASIC的功能，不僅可提高家用電器的易用性，同時還能降低產品研發與生產的成本。