【嗶哥嗶特導讀】智慧變頻水泵是維持水族箱環境健康穩定的重要裝置，同時它也是保障流動的水質的迴圈性，使魚兒的觀賞性達到最佳狀態。本期《半導體器件應用》雜誌便對一款來自創寧智慧變頻水泵CN-8300 進行拆機圖解，從節能、高效、靜音的角度看看一款合格的水泵到底需要哪些器件設計？哪些器件技術品質能帶來的體驗。
“子非魚，安知魚之樂？”“子非吾，安知吾不知魚之樂？”
這是一段出自於《莊子﹒秋水》寓言中的對話，記錄了當時莊子與惠子在濠梁橋上賞魚時發出的哲學辯論性“抬扛”過程。倆人從最初的漫步遊玩到觀察魚兒所引發的頭腦風暴，反映了他們關注的表達方式始終是流動變換的。
然而，相較於古代人臨水賞魚的滔滔不絕，現代人的賞魚表達方式卻更為含蓄和多樣化，例如人們不僅喜歡搗鼓其周邊產品，還會注重在配件技術上所帶來科技感。伴隨著科技的發展，這種喜好更逐漸從單一容器向機械電子化魚類生態系統演變。如今，一個現代化的魚類生態平衡系統水族箱裡，科技產品的成本佔比已高達60~80%，而魚類的成本只佔20%左右。由此可見現代人對於科技裝置的重視程度。
目前可知的是，基礎版的生態水族箱中就包括有：過濾迴圈系統（水泵、過濾器材等）；照明系統（燈管）；恆溫系統（加熱棒、溫度計等）；監測系統（水質感測器等）。其中過濾迴圈系統被譽為水族箱的心臟，過濾迴圈系統加上水泵，可以帶動整個水迴圈，是維持水族箱環境健康穩定的重要裝置，同時流動的水質也能使魚兒的觀賞性達到最佳狀態。
本期《半導體器件應用》雜誌便對一款來自創寧智慧變頻水泵CN-8300 進行拆機圖解，從節能、高效、靜音的角度看看一款合格的水泵到底需要哪些器件設計？哪些器件技術品質能帶來的體驗效果？
水族箱水泵的工作原理
水泵是一種由泵裝置和電機一體化設計的輸送液體的機械裝置，一般是由泵體、揚水管、泵座、潛水電機和起動保護裝置組成。在水泵工作運轉之前，吸入管和泵內需要充滿液體，當電機開始工作運轉後，葉輪透過高速旋轉，帶動裝置中的液體隨著葉片一併旋轉，在離心力的作用下，飛離葉輪向水族箱內射出，接著液體在泵殼內擴散速度會逐漸減慢，壓力逐漸增加，最後再從泵口的排出管排出。
智慧變頻水泵的區別
在外觀設計上，智慧變頻水泵與普通的水泵區別並不大，但變頻電機需要考慮電機執行到低轉速時的散熱問題，需要效能更為優越的控制器實現智慧控制、降低成本的效果。此外，兩者電機的差別還體現在功能、尺寸、扭矩、精度以及速度等幾大方面。
一、產品外觀展示
紙箱包裝，採用白藍簡約配色，印有創寧品牌與Slogan
包裝正面印有產品具體型號及基本外觀
包裝內含有水泵機體、控制器和使用說明書
水泵電源線長2。7米，智慧控制器線長2米
創寧CN-8300智慧變頻功率為13W，水泵體積中規中矩，屬於傳統臥式結構設計，產品的長度為17cm，寬度為7cm，高度為9cm（手工測量，存在±1mm誤差）；外部採用ABS塑膠材質，具備良好的耐水性，可防止無機酸鹼鹽的侵蝕。
水泵底部一覽
輸入端外殼表面標有水泵引數資訊
功率：13W
電壓：220V-240V，電源頻率：50HZ
水泵最大流量：3m
水泵最大液量：2000L/H
尾部濾水網
（配件一覽）出水介面螺母、出水介面、O型密封圈
控制面板正面一覽，包括：造浪、餵食、檔位、執行等4個功能鍵
控制面板背部一覽
二、產品拆解部分
A.電機
第一步：逆時針旋轉取下尾部濾水網與水泵蓋螺母，接著使用刮片沿著水泵輸入端外殼與泵體的縫隙撬開，便可取下外殼蓋；
第二步：由於底部無從入手，所以使用螺絲刀暴力分離底座與水泵機體；
第三步：同樣是無從入手，所以使用螺絲刀從邊角位置暴力分離葉輪室與水泵機體；
第四步：由於上一步葉輪室已拆開，只需手握轉子的一頭輕輕向外拉，便可取出整個轉子元件；
水泵元件一覽
封閉式葉輪與轉子元件
底座與四個橡膠墊一覽
電機部分
散熱和靜音一直以來都是電機效能兩個非常重要的參考指標，目前越來越多水族箱產品都趨向於採用直流無刷電機，因為去掉碳刷後，大大減少了電機在運轉時的摩擦力，而且在設計方面還會特別在底座下配置加厚的減震橡膠軟墊，減少工作時震動產生的噪音，實現高效的降噪。
不僅如此，在高效率、環保等質量標準的要求下，使用直流無刷電機的設計會容易透過機構檢測審查；另一方面則是提高了產品在工作時的整體效率，同時還降低了產品開發與後期維護的成本。
另外，該款智慧變頻水泵CN-8300 採用純銅無刷電機，在耐用性和動力性上要比普通電機更好，相較傳統鋁轉子電機，它具備了九大優勢包括有：損耗低、效率高、溫升比低、可靠性高、震動幅度小、噪音低、低成本、體積小、重量輕。
轉子元件方面，採用了陶瓷軸芯，屬於高耐磨材質，高轉速磨損量極低，有利於提高工作速度，並達到較高的精度。使用壽命是傳統金屬鋼軸的10倍以上，同時由於重量輕，高速轉動時對外圈的離心作用可降低50%，進而在使用壽命大大延長。適宜於在海水、腐蝕惡劣和溫差變化較為劇烈的條件下作業。
B.控制器
第一步：用螺絲刀卸下其背部四顆固定螺絲；
第二步：分別卸下PCB板表面角落的四顆固定螺絲；
第三步：PCB板上仍有兩顆自攻螺絲，分別卸下，便可取下固定在晶片上的鋁散熱片；
PCB板正面一覽
PCB板背面一覽
主控面板部分
正面
由於該款產品主控晶片缺乏標識，所以無法得知品牌與型號。透過對比三款同樣功率的水泵主控晶片產品供大家參考。
兆易創新GD32E230C8T6 系列，晶片架構為ARM最新的Cortex-M23核心，主頻高達72MHz，配備了64KB的嵌入式快閃記憶體及8KB的SRAM，配合內建的硬體乘法器、除法器和加速單元，在最高主頻下的工作效能可達55DMIPS，CoreMark測試可達154分。同主頻下的程式碼執行效率相比市場同類Cortex-M0產品提高40%，相比Cortex-M0+產品也提高30%以上。
晶片集成了1個支援三相脈寬調製PWM輸出和霍爾採集介面的16位高階定時器和多達5個的16位通用定時器、1個16位基本定時器，1個高速軌到軌輸入/輸出模擬電壓比較器，1個12位2。6M SPS取樣率的高效能ADC。適合各種電機控制和變頻應用。
方案特點
◆ 採用最新超值Arm Cortex-M23@72MHz核心
◆ 快速找準轉子位置，實現500ms快速啟動
◆ 少斬波控制，降低溫升
◆ 高載頻降低噪音
◆ 轉速智慧控制
◆ 具有最大功率運轉限制功能
◆ 多種執行模式
峰岹科技FU6832系列，該晶片一款整合電機控制引擎（ME）和8051核心的高效能電機驅動專用晶片，ME整合FOC、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM等諸多硬體模組，可硬體自動完成電機FOC/BLDC運算控制； 8051核心用於引數配置和日常事務處理，雙核並行工作實現各種高效能電機控制。其中8051核心大部分指令週期為1T或2T，晶片內部整合有高速運算放大器、比較器、Pre-driver、高速ADC、高速乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、LIN、多種TIMER、PWM等功能，內建高壓LDO，適用於BLDC/PMSM電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC驅動控制。
FU6832L 功能框圖
FU6832的有感啟動無感執行FOC應用特點
◆FOC固化，執行速度快
◆控制精度和效率高
◆靜音效果好
◆啟動特性好
◆最低轉速更低
◆硬體電路簡單
應用場景
無感/有感的 BLDC/PMSM、三相/單相感應電機、伺服電機。
油煙機、室內機、吊扇、落地扇、吸塵器、電吹風、工業風機、水泵、壓縮機、電動車、電動工具、航模等。
靈動微MM32SPIN222Cqa系列，該晶片是使用高效能的 ARM CortexTM-M0 為核心的 32 位微控制器（MCU），內嵌三相半橋柵極驅動器與 MOSFET。MCU 最高工作頻率可達 96MHz，內建高速儲存器，豐富的增強型 I/O 埠和外設連線到外部匯流排。 MM32SPIN222C 系列包含 1 個 12位 ADC、 4 個 16 位通用定時器、1 個 32位通用定時器、1 個高階 PWM 定時器，還包含標準的 UART 通訊介面與特有的單線雙向通訊介面。
內建 LDO 線性穩壓器提供 5V 電壓，適合為 MCU 和外部元件供電。 MM32SPIN222C 產品系列輸入電壓為 3V ~ 15V，最大連續供應電流為 1。5A，具有過溫保護和欠壓鎖定保護功能，可以進入待機模式，保證低功耗應用的要求。
此外，據靈動微向半導體器件應用網透露，Mind SPIN系列MCU產品是針對直流無刷電機驅動所量身打造。如果是應用於小功率12V的魚缸水泵產品，該款SPIN222C 集成了三相MOSFET、預驅以及LDO，可以在小空間內發揮最大的功能。
MM32SPIN222C 內部 MCU 模組框圖
雖然標識有點模糊，但從略顯痕跡的商標中可發現，該器件是屬於士蘭微電子的電源管理晶片。筆者透過器件產品庫對比，該型號為士蘭微SDH8302S系列，是用於開關電源的內建高壓 MOSFET 的電流模式 PWM 控制器。
主要特點：
內建高壓啟動電路。在輕載下會進入打嗝模式，從而有效地降低系統的待機功耗。具有降頻功能，進一步最佳化輕載條件下的轉換效率。具有抖頻功能，能夠改善 EMI 特性。具有軟啟動功能，能夠減小器件的應力，防止變壓器飽和。有 VDD 打嗝功能，不僅防止 VDD 欠壓重啟，也有效地降低待機功耗。
同時，內部還集成了各種異常狀態的保護功能，包括：VDD 欠壓保護，VDD 過壓保護，前沿消隱，輸出短路保護，過流保護，過溫保護等。且保護後，電路會不斷自動重啟，直到系統正常為止。
應用
離線式開關電源
非隔離升壓降壓轉換器
小家電
兩顆魯光電子的快恢復二極體LGE RS1M系列，最高等級和電子特性為25℃環境溫度、單相，半波，60Hz，電子或感應負載，對於電容式負載，可使電流減少20%。
目前快恢復二極體廣泛用於PWM脈寬調製器、開關電源、不間斷電源（UPS）等領域，而且它具備具有開關特性好、反向恢復時間短、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。
線性穩壓晶片7559-2
R250貼片電阻（通用型）
一組3位LCD數碼管
主控面板部分
背面
鋁散熱片由兩顆自攻螺絲固定在晶片上
鋁散熱片 中間塗有導熱矽脂
鋁散熱片下方為晶豐明源的三相全橋驅動模組BPP 10250DS系列，新一代三相電機驅動模組，主要為小功率電機驅動應用提供高效可靠的逆變器解決方案。
該模組內建的柵極驅動（HVIC）基於智慧驅動技術，採用最佳化的柵級電阻選項提升EMI 效能和改善功耗，同時提供欠壓保護（UVLO）和溫度感測（TS）功能。內建6個快恢復MOSFET和3 個自舉二極體（BSD）簡化了PCB 設計。每一相獨立的負直流端子，支援各種保護機制和控制演算法。
特性
◆內建 6 個 500V Rds（on）=3。3Ω（Max）快恢復 MOSFET
◆內建高壓柵極驅動（HVIC），單電源供電，包含欠壓保護（UVLO）以及 HVIC溫度感測功能
◆內建自舉二極體（Bootstrap Diode），簡化系統設計
◆高電平有效，3。3/5V 施密特觸發器輸入
◆最佳化並採用了低電磁干擾設計
◆絕緣級別 1500Vrms/min
聖融達的紅色MPP金屬化聚丙烯膜電容器 104J耐壓630V
共模電感 其主要作用是隔離共模訊號，衰減外部共模干擾，濾除EMI干擾，從而降低對電源的影響。
兩個聖融達的金屬化聚丙烯膜抑制電磁電源干擾用方塊電容器MPX /MKP–X2，104K額定電壓為275V。特點：外觀一致性好；有良好自愈性；抗溼性強；能承受大電流；壽命長，耐過電壓優良。
CD110X鋁電解電容
需要說明的是，據華威電子向半導體器件應用網透露，該款電容器並不是出自華威電子產品系列，屬於商標被盜用行為。
尼吉康（Nichicon ）CS 系列鋁電解電容器，電容值為68 F，電壓為400V，具有10000小時負載壽命。CS系列具有寬溫度範圍、200到450V的額定電壓範圍及高波紋電流。
Nichicon CS系列鋁電解電容器
ZOV壓敏電阻，直徑10mm，電壓為470V
NTC熱敏電阻，10Ω，直徑11毫米，用於抑制電源浪湧電流
方型延時保險絲，1。6A
KBP307直插式整流橋
全部拆解完畢
半導體器件應用總結
半導體器件應用網透過拆解了解到，該款智慧變頻水泵透過整合諸多硬體模組（參考替代MCU型號）、PWM訊號控制、無感測器三相智慧驅動模組、高壓MOSFET以及電容電阻等架構組成。
首先在變頻方面，替代型號的MCU可確保支援精確的電機位置檢測，透過PWM佔空比的控制，調整佔空比的大小來控制電流大小，達到控制轉矩和轉速的目的，提高電機執行效率，減少晶片外設元件的數量。
其次，利用了晶豐明源高效三相電機驅動電路來改變電機的轉速，在相對更高轉速度和更低轉速度的情況下實現FOC控制，分別讓電機中的轉子有轉動的趨勢，而且在到達穩定之後或者之前；改變導通的兩相，使得轉子在該磁場下繼續轉動，從而實現電機的轉動以及換向，使電機執行時更加安靜與節能，據官方資料介紹，噪音分貝在35-40之間。
再次，在AC-DC電路中得益於士蘭微的開關電源晶片，不僅提供高精度恆壓和恆流輸出效能，而且具有快速響應的電流限制功能，所以能夠很好的確保電子元器件的安全和穩定。另外，在保護功能上，得益於各類的電容器件效能加持，使得該產品具備了堵轉、無水、缺相、過壓保護等功能。
正弦波控制的優勢在於全程靜音，調高水流量高速運轉下具有更高的電機效率。不過，這也對於控制器技術及電子元器件的要求也就更高。現如今，基於上述結構的水族箱水泵系統設計越來越受市場歡迎，無論是從結構、功能、成本和可靠性等方面都可以為人們在魚類觀賞體驗中增添一份技術性的趣味。
本文為嗶哥嗶特資訊原創文章，如需轉載請在文前註明來源
