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“子非魚，安知魚之樂？”“子非吾，安知吾不知魚之樂？”

這是一段出自于《莊子﹒秋水》寓言中的對(duì)話，記錄了當(dāng)時(shí)莊子與惠子在濠梁橋上賞魚時(shí)發(fā)出的哲學(xué)辯論性“抬扛”過程。倆人從最初的漫步游玩到觀察魚兒所引發(fā)的頭腦風(fēng)暴，反映了他們關(guān)注的表達(dá)方式始終是流動(dòng)變換的。

然而，相較于古代人臨水賞魚的滔滔不絕，現(xiàn)代人的賞魚表達(dá)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(chǎn)品，還會(huì)注重在配件技術(shù)上所帶來科技感。伴隨著科技的發(fā)展，這種喜好更逐漸從單一容器向機(jī)械電子化魚類生態(tài)系統(tǒng)演變。如今，一個(gè)現(xiàn)代化的魚類生態(tài)平衡系統(tǒng)水族箱里，科技產(chǎn)品的成本占比已高達(dá)60~80%，而魚類的成本只占20%左右。由此可見現(xiàn)代人對(duì)于科技設(shè)備的重視程度。

目前可知的是，基礎(chǔ)版的生態(tài)水族箱中就包括有：過濾循環(huán)系統(tǒng)（水泵、過濾器材等）；照明系統(tǒng)（燈管）；恒溫系統(tǒng)（加熱棒、溫度計(jì)等）；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（水質(zhì)傳感器等）。其中過濾循環(huán)系統(tǒng)被譽(yù)為水族箱的心臟，過濾循環(huán)系統(tǒng)加上水泵，可以帶動(dòng)整個(gè)水循環(huán)，是維持水族箱環(huán)境健康穩(wěn)定的重要設(shè)備，同時(shí)流動(dòng)的水質(zhì)也能使魚兒的觀賞性達(dá)到最佳狀態(tài)。

本期《半導(dǎo)體器件應(yīng)用》雜志便對(duì)一款來自創(chuàng)寧智能變頻水泵CN-8300 進(jìn)行拆機(jī)圖解，從節(jié)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(shè)計(jì)？哪些器件技術(shù)品質(zhì)能帶來的體驗(yàn)效果？

水族箱水泵的工作原理

水泵是一種由泵裝置和電機(jī)一體化設(shè)計(jì)的輸送液體的機(jī)械設(shè)備，一般是由泵體、揚(yáng)水管、泵座、潛水電機(jī)和起動(dòng)保護(hù)裝置組成。在水泵工作運(yùn)轉(zhuǎn)之前，吸入管和泵內(nèi)需要充滿液體，當(dāng)電機(jī)開始工作運(yùn)轉(zhuǎn)后，葉輪通過高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)設(shè)備中的液體隨著葉片一并旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，飛離葉輪向水族箱內(nèi)射出，接著液體在泵殼內(nèi)擴(kuò)散速度會(huì)逐漸減慢，壓力逐漸增加，最后再從泵口的排出管排出。

智能變頻水泵的區(qū)別

在外觀設(shè)計(jì)上，智能變頻水泵與普通的水泵區(qū)別并不大，但變頻電機(jī)需要考慮電機(jī)運(yùn)行到低轉(zhuǎn)速時(shí)的散熱問題，需要性能更為優(yōu)越的控制器實(shí)現(xiàn)智能控制、降低成本的效果。此外，兩者電機(jī)的差別還體現(xiàn)在功能、尺寸、扭矩、精度以及速度等幾大方面。

一、產(chǎn)品外觀展示

紙箱包裝，采用白藍(lán)簡(jiǎn)約配色，印有創(chuàng)寧品牌與Slogan

包裝正面印有產(chǎn)品具體型號(hào)及基本外觀

包裝內(nèi)含有水泵機(jī)體、控制器和使用說明書
水泵電源線長2.7米，智能控制器線長2米

創(chuàng)寧CN-8300智能變頻功率為13W，水泵體積中規(guī)中矩，屬于傳統(tǒng)臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的長度為17cm,寬度為7cm，高度為9cm（手工測(cè)量，存在±1mm誤差）；外部采用ABS塑料材質(zhì)，具備良好的耐水性，可防止無機(jī)酸堿鹽的侵蝕。

水泵底部一覽

輸入端外殼表面標(biāo)有水泵參數(shù)信息
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(wǎng)

（配件一覽）出水接口螺母、出水接口、O型密封圈

控制面板正面一覽，包括：造浪、喂食、檔位、運(yùn)行等4個(gè)功能鍵

控制面板背部一覽

二、產(chǎn)品拆解部分

A.電機(jī)

第一步：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)取下尾部濾水網(wǎng)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：由于底部無從入手，所以使用螺絲刀暴力分離底座與水泵機(jī)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(jī)體；

第四步：由于上一步葉輪室已拆開，只需手握轉(zhuǎn)子的一頭輕輕向外拉，便可取出整個(gè)轉(zhuǎn)子組件；

水泵組件一覽

封閉式葉輪與轉(zhuǎn)子組件

底座與四個(gè)橡膠墊一覽

電機(jī)部分

散熱和靜音一直以來都是電機(jī)性能兩個(gè)非常重要的參考指標(biāo)，目前越來越多水族箱產(chǎn)品都趨向于采用直流無刷電機(jī)，因?yàn)槿サ籼妓⒑?，大大減少了電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力，而且在設(shè)計(jì)方面還會(huì)特別在底座下配置加厚的減震橡膠軟墊，減少工作時(shí)震動(dòng)產(chǎn)生的噪音，實(shí)現(xiàn)高效的降噪。

不僅如此，在高效率、環(huán)保等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求下，使用直流無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)容易通過機(jī)構(gòu)檢測(cè)審查；另一方面則是提高了產(chǎn)品在工作時(shí)的整體效率，同時(shí)還降低了產(chǎn)品開發(fā)與后期維護(hù)的成本。

另外，該款智能變頻水泵CN-8300 采用純銅無刷電機(jī)，在耐用性和動(dòng)力性上要比普通電機(jī)更好，相較傳統(tǒng)鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)，它具備了九大優(yōu)勢(shì)包括有：損耗低、效率高、溫升比低、可靠性高、震動(dòng)幅度小、噪音低、低成本、體積小、重量輕。

轉(zhuǎn)子組件方面，采用了陶瓷軸芯，屬于高耐磨材質(zhì)，高轉(zhuǎn)速磨損量極低，有利于提高工作速度，并達(dá)到較高的精度。使用壽命是傳統(tǒng)金屬鋼軸的10倍以上，同時(shí)由于重量輕，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)外圈的離心作用可降低50%，進(jìn)而在使用壽命大大延長。適宜于在海水、腐蝕惡劣和溫差變化較為劇烈的條件下作業(yè)。

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，便可取下固定在芯片上的鋁散熱片；

PCB板正面一覽

PCB板背面一覽

主控面板部分
正面

由于該款產(chǎn)品主控芯片缺乏標(biāo)識(shí)，所以無法得知品牌與型號(hào)。通過對(duì)比三款同樣功率的水泵主控芯片產(chǎn)品供大家參考。

①　兆易創(chuàng)新GD32E230C8T6 系列，芯片架構(gòu)為ARM最新的Cortex-M23內(nèi)核，主頻高達(dá)72MHz，配備了64KB的嵌入式閃存及8KB的SRAM，配合內(nèi)置的硬件乘法器、除法器和加速單元，在最高主頻下的工作性能可達(dá)55DMIPS，CoreMark測(cè)試可達(dá)154分。同主頻下的代碼執(zhí)行效率相比市場(chǎng)同類Cortex-M0產(chǎn)品提高40%，相比Cortex-M0+產(chǎn)品也提高30%以上。

芯片集成了1個(gè)支持三相脈寬調(diào)制PWM輸出和霍爾采集接口的16位高級(jí)定時(shí)器和多達(dá)5個(gè)的16位通用定時(shí)器、1個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)高速軌到軌輸入/輸出模擬電壓比較器，1個(gè)12位2.6M SPS采樣率的高性能ADC。適合各種電機(jī)控制和變頻應(yīng)用。

方案特點(diǎn)

◆ 采用最新超值A(chǔ)rm Cortex-M23@72MHz內(nèi)核

◆ 快速找準(zhǔn)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)500ms快速啟動(dòng)

◆ 少斬波控制，降低溫升

◆ 高載頻降低噪音

◆ 轉(zhuǎn)速智能控制

◆ 具有最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)限制功能

◆ 多種運(yùn)行模式

②　峰岹科技FU6832系列，該芯片一款集成電機(jī)控制引擎(ME)和8051內(nèi)核的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，ME集成FOC、MDU、LPF、PI、SVPWM/SPWM等諸多硬件模塊，可硬件自動(dòng)完成電機(jī)FOC/BLDC運(yùn)算控制; 8051內(nèi)核用于參數(shù)配置和日常事務(wù)處理，雙核并行工作實(shí)現(xiàn)各種高性能電機(jī)控制。其中8051內(nèi)核大部分指令周期為1T或2T，芯片內(nèi)部集成有高速運(yùn)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(nèi)置高壓LDO，適用于BLDC/PMSM電機(jī)的方波、SVPWM/SPWM、FOC驅(qū)動(dòng)控制。

FU6832L 功能框圖

FU6832的有感啟動(dòng)無感運(yùn)行FOC應(yīng)用特點(diǎn)

◆FOC固化，運(yùn)行速度快

◆控制精度和效率高

◆靜音效果好

◆啟動(dòng)特性好

◆最低轉(zhuǎn)速更低

◆硬件電路簡(jiǎn)單

應(yīng)用場(chǎng)景

無感/有感的 BLDC/PMSM、三相/單相感應(yīng)電機(jī)、伺服電機(jī)。

油煙機(jī)、室內(nèi)機(jī)、吊扇、落地扇、吸塵器、電吹風(fēng)、工業(yè)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、電動(dòng)車、電動(dòng)工具、航模等。

③　靈動(dòng)微MM32SPIN222Cqa系列，該芯片是使用高性能的 ARM® CortexTM-M0 為內(nèi)核的 32 位微控制器(MCU)，內(nèi)嵌三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)器與 MOSFET。MCU 最高工作頻率可達(dá) 96MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)型 I/O 端口和外設(shè)連接到外部總線。 MM32SPIN222C 系列包含 1 個(gè) 12位 ADC、 4 個(gè) 16 位通用定時(shí)器、1 個(gè) 32位通用定時(shí)器、1 個(gè)高級(jí) PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的 UART 通信接口與特有的單線雙向通信接口。

內(nèi)建 LDO 線性穩(wěn)壓器提供 5V 電壓，適合為 MCU 和外部組件供電。 MM32SPIN222C 產(chǎn)品系列輸入電壓為 3V ~ 15V，最大連續(xù)供應(yīng)電流為 1.5A，具有過溫保護(hù)和欠壓鎖定保護(hù)功能，可以進(jìn)入待機(jī)模式，保證低功耗應(yīng)用的要求。

此外，據(jù)靈動(dòng)微向半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)透露，Mind SPIN系列MCU產(chǎn)品是針對(duì)直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)所量身打造。如果是應(yīng)用于小功率12V的魚缸水泵產(chǎn)品，該款SPIN222C 集成了三相MOSFET、預(yù)驅(qū)以及LDO，可以在小空間內(nèi)發(fā)揮最大的功能。

MM32SPIN222C 內(nèi)部 MCU 模塊框圖

雖然標(biāo)識(shí)有點(diǎn)模糊，但從略顯痕跡的商標(biāo)中可發(fā)現(xiàn)，該器件是屬于士蘭微電子的電源管理芯片。筆者通過器件產(chǎn)品庫對(duì)比，該型號(hào)為士蘭微SDH8302S系列，是用于開關(guān)電源的內(nèi)置高壓 MOSFET 的電流模式 PWM 控制器。

主要特點(diǎn)：

內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)電路。在輕載下會(huì)進(jìn)入打嗝模式，從而有效地降低系統(tǒng)的待機(jī)功耗。具有降頻功能，進(jìn)一步優(yōu)化輕載條件下的轉(zhuǎn)換效率。具有抖頻功能，能夠改善 EMI 特性。具有軟啟動(dòng)功能，能夠減小器件的應(yīng)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(jī)功耗。

同時(shí)，內(nèi)部還集成了各種異常狀態(tài)的保護(hù)功能，包括：VDD 欠壓保護(hù)，VDD 過壓保護(hù)，前沿消隱，輸出短路保護(hù)，過流保護(hù)，過溫保護(hù)等。且保護(hù)后，電路會(huì)不斷自動(dòng)重啟，直到系統(tǒng)正常為止。

應(yīng)用?
離線式開關(guān)電源?
非隔離升壓降壓轉(zhuǎn)換器
小家電

兩顆魯光電子的快恢復(fù)二極管LGE RS1M系列，最高等級(jí)和電子特性為25℃環(huán)境溫度、單相，半波，60Hz，電子或感應(yīng)負(fù)載，對(duì)于電容式負(fù)載，可使電流減少20%。

目前快恢復(fù)二極管廣泛用于PWM脈寬調(diào)制器、開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)等領(lǐng)域，而且它具備具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

線性穩(wěn)壓芯片7559-2

R250貼片電阻（通用型）

一組3位LCD數(shù)碼管

主控面板部分
背面

鋁散熱片由兩顆自攻螺絲固定在芯片上

鋁散熱片 中間涂有導(dǎo)熱硅脂

鋁散熱片下方為晶豐明源的三相全橋驅(qū)動(dòng)模塊BPP 10250DS系列，新一代三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，主要為小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供高效可靠的逆變器解決方案。

該模塊內(nèi)置的柵極驅(qū)動(dòng)（HVIC）基于智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)，采用優(yōu)化的柵級(jí)電阻選項(xiàng)提升EMI 性能和改善功耗，同時(shí)提供欠壓保護(hù)（UVLO）和溫度感測(cè)（TS）功能。內(nèi)置6個(gè)快恢復(fù)MOSFET和3 個(gè)自舉二極管（BSD）簡(jiǎn)化了PCB 設(shè)計(jì)。每一相獨(dú)立的負(fù)直流端子，支持各種保護(hù)機(jī)制和控制算法。

特性

◆內(nèi)置 6 個(gè) 500V Rds(on)=3.3Ω(Max)快恢復(fù) MOSFET
 
◆內(nèi)置高壓柵極驅(qū)動(dòng)（HVIC），單電源供電，包含欠壓保護(hù)（UVLO）以及 HVIC溫度感測(cè)功能

◆內(nèi)置自舉二極管（Bootstrap Diode），簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆高電平有效，3.3/5V 施密特觸發(fā)器輸入

◆優(yōu)化并采用了低電磁干擾設(shè)計(jì)

◆絕緣級(jí)別 1500Vrms/min

圣融達(dá)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信號(hào)，衰減外部共模干擾，濾除EMI干擾，從而降低對(duì)電源的影響。

→兩個(gè)圣融達(dá)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(diǎn)：外觀一致性好；有良好自愈性；抗?jié)裥詮?qiáng)；能承受大電流；壽命長，耐過電壓優(yōu)良。

CD110X鋁電解電容

需要說明的是，據(jù)華威電子向半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)透露，該款電容器并不是出自華威電子產(chǎn)品系列，屬于商標(biāo)被盜用行為。

尼吉康（Nichicon ）CS 系列鋁電解電容器，電容值為68µF，電壓為400V，具有10000小時(shí)負(fù)載壽命。CS系列具有寬溫度范圍、200到450V的額定電壓范圍及高波紋電流。

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，用于抑制電源浪涌電流

方型延時(shí)保險(xiǎn)絲，1.6A

KBP307直插式整流橋

全部拆解完畢

半導(dǎo)體器件應(yīng)用總結(jié)

半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)通過拆解了解到，該款智能變頻水泵通過集成諸多硬件模塊（參考替代MCU型號(hào)）、PWM信號(hào)控制、無傳感器三相智能驅(qū)動(dòng)模塊、高壓MOSFET以及電容電阻等架構(gòu)組成。

首先在變頻方面，替代型號(hào)的MCU可確保支持精確的電機(jī)位置檢測(cè)，通過PWM占空比的控制，調(diào)整占空比的大小來控制電流大小，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，提高電機(jī)運(yùn)行效率，減少芯片外設(shè)元件的數(shù)量。

其次，利用了晶豐明源高效三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在相對(duì)更高轉(zhuǎn)速度和更低轉(zhuǎn)速度的情況下實(shí)現(xiàn)FOC控制，分別讓電機(jī)中的轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，而且在到達(dá)穩(wěn)定之后或者之前；改變導(dǎo)通的兩相，使得轉(zhuǎn)子在該磁場(chǎng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及換向，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)更加安靜與節(jié)能，據(jù)官方數(shù)據(jù)介紹，噪音分貝在35-40之間。

再次，在AC-DC電路中得益于士蘭微的開關(guān)電源芯片，不僅提供高精度恒壓和恒流輸出性能，而且具有快速響應(yīng)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(wěn)定。另外，在保護(hù)功能上，得益于各類的電容器件性能加持，使得該產(chǎn)品具備了堵轉(zhuǎn)、無水、缺相、過壓保護(hù)等功能。

正弦波控制的優(yōu)勢(shì)在于全程靜音，調(diào)高水流量高速運(yùn)轉(zhuǎn)下具有更高的電機(jī)效率。不過，這也對(duì)于控制器技術(shù)及電子元器件的要求也就更高?，F(xiàn)如今，基于上述結(jié)構(gòu)的水族箱水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越受市場(chǎng)歡迎，無論是從結(jié)構(gòu)、功能、成本和可靠性等方面都可以為人們?cè)隰~類觀賞體驗(yàn)中增添一份技術(shù)性的趣味。

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