住宅所有者とプロの消費者の両方が、AC電源 (コード付き) のツールからDCバッテリー電源 (コードレス) のツールに移行しており、メーカーはDCからブラシレスDC (BLDC) への移行を続けています。この記事では、Allegro MicroSystemsの産業用モーター製品ライン ディレクターであるAndy Wangが、この移行によって、よりモビリティが高く、実行時間が長い信頼性の高いツールの需要がどのように生まれ、業界の研究開発投資が急増したかについて説明します。
電動工具の幅広い応用により、製品開発コストと期間が増加する
こうした開発は刺激的ですが、その結果として生まれた無数の新しい設計と研究開発サイクルは貴重なリソースを消費し、収益に影響を与えます。メーカーは、ポートフォリオ内の製品をサポートするための電圧範囲とゲート ドライバー機能を備えた単一の共通プラットフォームを活用する設計を使用することで、コストを削減できます。
電動ドライバーからハンマードリル、チェーンソーに至るまで、これらのツールの商業および産業用途（切断、穴あけ、研削、研磨、成形、研磨など）に必要なさまざまなバッテリー電圧とワット数は、重大なエンジニアリング上の課題となります。たとえば、電気ドリルはバッテリー電圧が18 Vの場合に400 Wを消費しますが、チェーンソーはバッテリー電圧が80 Vと高い場合、数千ワットを消費することがあります。
要件は製品とアプリケーションによって大きく異なるため、各製品設計におけるコンポーネントの選択も同様に大きく異なる可能性があります。低バッテリー電圧の低電力製品に対する一般的なアプローチは、サイズとコストの点で最も最適化されたソリューションを提供するシステムオンチップ (SoC) です。しかし、ほとんどのSoCには、より大きなMOSFETを駆動するだけの能力がありません。設計者は、これらの大きな負荷を駆動するために、マイクロコントローラ ユニット (MCU) を備えたゲート ドライバなどの個別のアプローチを使用することが多いです。バッテリー電圧が上昇するにつれて、より高い定格のコンポーネントが必要になります。製品設計で異なるソリューションが求められる場合、リソースの負担はハードウェア エンジニアリングだけでなくソフトウェア エンジニアリングにも影響を及ぼします。最終的には、複数のソリューションとプラットフォームが開発されることが多く、それぞれにコストとリソースの要求が高まります。
図1: これらのアプリケーション図は、電動工具用ゲート ドライバに対するカスケード要求を示しています。SoCは低電力デバイスに対応できる可能性がありますが、中電力および高電力デバイスでは設計の複雑さが増し、異なるMCUが必要になる場合もあります。これらすべてを考慮するとコストが増加する
すべてのアプリケーションに対応する単一プラットフォームソリューションにより、開発時間とコストを削減
複数のベンダーの個別コンポーネントを使用して作成されたプラットフォームに依存することで生じる研究開発費の増加、重大な物流上の課題、市場投入までの時間の長期化を軽減することが可能です。1つのアプローチは、ゲート ドライバーを備えた共通のMCUを使用することです。すべてのアプリケーションに対応できる電圧範囲とゲート ドライブ機能の両方を備えたゲート ドライバを選択することは可能ですが、実行可能ではない可能性があります。高電圧範囲のゲート ドライバーは通常、コストが高くなるため、バッテリー電圧が低いアプリケーションではマージン ペナルティが発生します。より良いアプローチは、異なる電圧範囲を持つ2つのピンツーピン ドロップイン交換ゲート ドライバーを使用することです。電圧範囲に関係なく、これらのゲート ドライバは、低電力アプリケーションと高電力アプリケーションの両方をサポートできるゲート ドライブ強度を備えている必要があります。
これらのゲート ドライブはプラットフォーム内で交換可能なコンポーネントとして使用でき、設計者は電圧範囲の要件を満たすゲート ドライブを選択できます。MCUプラス ゲート ドライバー アーキテクチャでピンツーピン ゲート ドライバーをドロップイン リプレースメントとして使用すると、ポートフォリオ内のすべての製品ラインに対応する1つのプラットフォームが作成されます。このソリューションは、既存のソフトウェアとIPの再利用を最大限に高め、研究開発時間と物流費用を削減します。
すべての電動工具に対応する理想的なシングルチップ ソリューションが実現されるまでは、単一プラットフォーム ソリューションで個別のコンポーネントを相互に置き換えて使用することが、電動工具製品ライン全体に対応しながら研究開発コストを削減する最善の方法となる可能性があります。個別コンポーネントのパッケージングとピン配置はベンダーごとに異なるため、交換可能なコンポーネントを見つけるには、単一ベンダーのソリューションを見つける必要がある可能性が高くなります。現在、交換可能なゲート ドライバーは単一のベンダーから提供されており、製品ファミリとして電動工具の全範囲に対応しています。
MCUベースのアプローチよりも最適なアプローチは、SoCを使用して電動工具製品ラインを開発することです。このアーキテクチャは、外部コンポーネントを排除することでPCBのサイズを縮小するのに役立ち、より大きなバッテリーに使用できるスペースを確保したり、ツールのサイズを縮小して全体的な炭素排出量を削減したりするのに役立ちます。SoCソリューションは、信頼性の向上、ロジスティクスの簡素化、コストの削減にも役立ちます。
変化は避けられません。今から準備しましょう
業界がセンサーレス ソリューションとモノのインターネットを期待するにつれて、将来の電動工具には新たな需要が生まれます。今日のBLDC電動工具のプラットフォームで使用されている現在のソリューションでは、将来の機能の多くをサポートできません。将来的には、今日の開発プラットフォームの多くは、新たな機能に対応するために改良する必要があるでしょう。これは、電動工具プラットフォームの再開発に避けられない費用が近づいていることを意味します。
今日、電動工具開発者は、単一のプラットフォームを使用して製品を設計することでメリットを得ることができます。段階的な移行の1つのアプローチとしては、MCUと交換可能なゲート ドライバー アーキテクチャから開始し、新しいソリューションが登場するにつれてSoCアーキテクチャに切り替えることが考えられます。現在および予想される電動工具のニーズに対応できる適応性を備えた単一プラットフォーム ソリューションへの段階的な再設計を今から計画しておくことで、将来の研究開発の負担が大幅に軽減され、新しい機能が登場したときに製品ラインが迅速に市場に浸透する準備が整います。
単一プラットフォーム ソリューションへの切り替えは大きな決断です。しかし、将来、そのような機能が存在するようになると、誰もが電動工具ポートフォリオのニーズを満たすSoCベースのアプローチを使用するようになることは容易に想像できます。暫定的なMCUとゲート ドライバーのアプローチでは、開発者は作業に適した交換可能なゲート ドライバーを見つける必要があります。現在の製品ラインと予想される製品ラインのニーズを、単一ベンダーの個別の交換可能なコンポーネントと併せて検討することで、単一プラットフォーム ソリューションの開発と段階的なコスト削減への明確な道筋が見えてくるかもしれません。将来最も機敏な電動工具プロバイダーは、おそらく、今日から単一プラットフォーム ソリューションを計画し、移行を開始するプロバイダーになるでしょう。