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。 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。
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。
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。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。

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。
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）