对许多 500W 以下的汽车及工业应用致动器来说，符合成本效益的直流有刷马达，仍是最适合的马达选择。另一方面，目前的趋势是从继电器改为使用 PWM 驱动马达，实现变速应用所需，同时提升驱动器的使用方便性及能源效率。此外，新设计更要求装置必须同时兼具安全、诊断及保护功能。现在有了 NovalithIC 系列这类的整合桥式驱动器，将半桥式驱动器与驱动器阶段、诊断、电流测量与 MOSFET 整合于同一封装，有效满足前述的各项需求。为了快速轻松实现新一代的马达控制设计，英飞凌推出了采用高整合度 NovalithIC 驱动器的 Arduino 功率扩展板。

目前的明显趋势是，车内像是HVAC 鼓风机、引擎冷却风扇、水泵和油泵、驻车刹车、前雨刷与后雨刷等由能源效率驱动的分散式负载，必须加入智慧设计，以提供「随需能源」。多数应用固然采用的是简单且低成本的直流马达，但使用 PWM 的动态直流马达控制，却能缔造更佳的效率、舒适性及安全性。就一般的燃料泵应用来说，其所能省下的燃油，比机械式解决方案多了 1% 以上。对于功率要求更高的应用，重心则在于效率更高且更耐用的电力整流无刷直流马达。

由皮带驱动的功能及手动功能，正由电子控制马达所取代，使得汽车所仰赖的电子马达数量不断增加。 IHS 的市场研究员估算，2012 年使用的电子汽车马达为23 亿部，预计到2017 年将增加到29 亿部，CAGR (年复合成长率) 为5.7%，也就是说，每一辆车内平均会有30 部马达。目前这些马达中有 68% 为直流有刷马达，无刷直流马达的数量只占 15%，但还在持续增加。工业市场的成长率 (CAGR 6.4%) 高于这个数字。每年卖出的马达多达数十亿部，年成长率也居高不下，足见家电及消费者市场是具有高潜力的市场。直流马达的优点包括绕法简单，并使用简单的磁铁，因此马达价格较低。但由于使用电流变换器，因此体积大，而且使用寿命短。 BLDC 马达虽然效率较高、体积较小且使用寿命较长，但价格却较为昂贵。

整合式桥接驱动器

许多电子驱动器仍采用简单的开/关控制，使用继电器、线性模式电晶体或分离式电子元件，而且不具诊断功能。不过，现今的新兴趋势，开始转为采用更智慧、具备诊断功能的马达控制设计，主要着眼于改善效率及舒适度。一般的马达控制设计包含电压供应、通讯介面、微控制器、控制阶段、驱动器和 MOSFET (图 1)。有多种整合概念可将功能区块结合至 IC，其中一种很有效率的方式，即是使用整合马达桥接的驱动器 (图 2)。此种解决方案的微控制器，能够执行数位控制及进阶的诊断功能。在负载侧使用整合保护功能的单片式 H 桥接器或多片式 IC (半桥和/或 H-bridge)，简化了开发马达控制元件所需要的工作。在驱动器侧整合保护功能的概念，则能为许多小型的单极性和双极性驱动器带来好处。

图1 : 常见马达控制设计的简化方块图

图2 : 整合马达桥接，可简化开发工作并减少电路板空间

方块图 (图 3) 说明了整合于单一封装内完整的低欧姆?受保护半桥。这可以用于单向的马达控制，假如将两部装置结合，也能用作 H-bridge (双向马达控制)。本文提到的英飞凌 NovalithIC 装置能够以高频的 PWM 切换，同时提供电流限值功能、欠压和过热保护。

图3 : 整合诊断及电流测量功能的 NovalithIC 方块图

此种概念能为电路板空间极为有限且受保护的高电流 PWM 马达驱动器提供最符合成本效益的解决方案，同时也具备下列优点：

‧ 非常低的高侧和低侧 MOSFET 间寄生电感

‧ 最佳化的 MOSFET 切换效能，降低功率耗损及 EMC 幅射量

‧ 透过 PWM 驱动马达，以进行扭力及转速控制

‧ 主动转动

‧ 整合电流测量

‧ 整合诊断与保护

‧ 微控制器相容的输入针脚

‧ 封装体积小巧且节省 PCB 空间

三合一：适合空间受限的应用

英飞凌NovalithIC 系列内部的3 晶片结构采用D2Pak (TO-263-7) 封装，包含半桥驱动器、n channel MOSFET 和p-channel MOSFET，以chip-by-chip 和chip-on-chip 结构排列(图4)。虽然一般通常需要五个晶片 (一个半桥驱动器和四个 MOSFET)，但传统的 H-bridge 应用可透过两个装置予以取代，用以控制双向的有刷直流马达。如此不只减轻了黏着元件的工作，还可节省大约 30% 的空间。

图4 : 打开封装露出 chip-on-chip 和 chip-by-chip 结构的 NovalithIC

NovalithIC 装置将体积小巧之设计优点，引进到 250W 以上的应用内，而且不会增加冷却的负担。像是过电流保护、欠压锁定和过热保护等整合功能可大幅减轻设计工作，同时将系统成本 (BOM) 维持在低水平。

整合式驱动器 IC 能搭配逻辑位准输入运作，因此可直接由微控制器加以控制。运用最新的 p-channel MOSFET 技术，达到最佳化的切换形状，加上不需要电荷泵，因此大幅降低了 EME (电磁放射量) 和功率消耗。

减少寄生效应

在控制像是PWM 控制的有刷直流马达等高动态系统时，常见问题之一就是干扰效应，例如像是内含电容器、高侧及低侧开关的电流变换器中的寄生杂散电感所产生的干扰。但即便是经过大量设计的最佳化配置，一部 200W 驱动器在高速 dl/dt 下都可能产生 5V 以下的负电压突波。这些寄生效应可透过整合式设计加以消除，因为整合式设计的线路长度近乎零，且在相近条件下只会产生大约 1V 以下的电压。

内建诊断与保护功能

像是电流测量等诊断功能对于高效率的马达控制来说极为重要，设计人员可按照个别的应用需求，决定要在电流测量的精准度上投入多少心力。以 NovalithIC 为例，则只要透过简单的生产线末端校正就能达到 ±10% 的准确度，温度补偿的误差甚至可降低到 ±3%。在未经使用者校正下，装置在额定输出范围及整个作业温度范围内最差的电流测量误差为+/-28%。

桥接驱动器使用额外的内部电流测量功能，侦测过电流的状况及保护装置，假如流经高侧或低侧MOSFET 的电流达到指定的阈值，装置将切换为定义的模式，如此以在具电感负载(马达) 下控制电流的限制。

最后，则透过保护功能，确保高可靠性。在本例中，逻辑晶片上有一个温度感测器，而逻辑晶片则直接放在 p channel MOSFET 上。 攝氏155度)，驅動器便會自動關閉，並在輸出進入三態。"一旦达到严重温度 (如 Tj 摄氏155度)，驱动器便会自动关闭，并在输出进入三态。之后假如温度下降到热迟滞标准 7K 以下，则可经由微控制器 (闩锁) 的讯号主动重新启动。

多用途：同一晶片可运用到各种马达控制应用

英飞凌的 NovalithIC 晶片符合 AECQ-100 标准，并可在最高 Tj = 150°C 的温度范围下运作，原则上适合各种汽车应用。以BTN8982TA 为例，路径(结合高侧与低侧MOSFET) 可达到RDS(on) 标准? 10mΩ，加上采用D2PAK，具有优异的热效能，因此甚至不需提高冷却能力亦能处理超过250W 的应用。实际的应用范例还包括所有的马达控制设计，例如有刷直流 (单向和双向)，以及使用三个 NovalithIC 晶片的三相无刷马达。

其在汽车业的常见例子，则包括 HVAC 鼓风机、天窗控制器、驻车刹车、油泵 (图 5) 或电动椅。 NovalithIC 同样适用于许多的工业电子应用 (图 6) 和家电，例如咖啡机、电动控制床和遮阳帘。

图5 : 单向马达控制，例如可用于油泵控制以节省燃油并减少排放

图6 : 双向马达控制，用于工业应用

加快并简化设计：Arduino 专用扩展板

英飞凌科技为 Arduino 设计社群推出许多专用的扩展板，让社群能取得更多的英飞凌半导体。 Arduino 采用已定义外型尺寸的微控制器板，并在开放原始码 (硬体与软体) 平台推出，让电子原型设计更为快速方便。扩展板相容于 Arduino Uno R3，并可搭配英飞凌配备 XMC1000 系列 32 位元微控制器的 XMC1100 启动套件运作。所有的 XMC1000 产品均使用 ARMR CortexR-M0 处理器。

Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 NovalithIC BTN8982TA) (图 7) 可简化半桥和全桥式马达控制应用的测试，加速直流马达控制设计的原型建构，且符合成本效益。扩展板可驱动两个单向直流马达或一个双向直流马达，在此应用下，扩展板将采用两个 BTN8982TA 全整合高电流半桥式驱动器。

图7 : Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 BTN8982TA)

例如，Arduino 专用直流马达控制扩展板 (内建 BTN8982TA ) 能处理 30kHz 的高频率 PWM 输入。扩展板支援最高 250W 连续负载 (在 12V / 20A 下) 的有刷直流马达控制，但有电流限制的 BTN8982TA 允许的额定电流最高为 55A。

（本文由英飞凌科技提供，作者为Philip Brockerhoff、Johannes Breitschopf、Markus Bader）