馬達驅控

英商戴樂格半導體(Dialog)日前宣布推出其首款可配置混合訊號晶片(Configurable Mixed-signal Integrated Circuit, CMIC)─SLG47105，同時具備可配置邏輯和可配置高電壓類出輸出，並採用2 x 3 QFN小型封裝，形成獨特產品優勢。 SLG47105是Dialog廣受歡迎GreenPAK系列最新產品。它為尋求整合數位和類比系統功能的設計人員提供了更具成本效益的一次性NVM可編程選項，同時可減少零組件數量、電路板空間已及功耗，特別適合於消費性和工業馬達應用。 新設備能夠驅動兩個直流有刷馬達(Brushed DC motors)，一個步進馬達，電磁閥或任何其他需要每個輸出高達1.5A RMS電流和高達13.2V的工作電壓的負載。 除了標準的保護功能（例如過熱，欠壓和過流保護）之外，SLG47105還包括可配置的數位和類比資源，用戶可以創建客製化的保護和馬達控制方案，包括電流或電壓調節，失速檢測或馬達軟啟動，以實現更高系統可靠性已及更高的電池使用效率。 SLG47105晶片提供的低功耗功能包括有內部參考電壓、上電復位(Power-on reset)、振盪器和脈衝寬度調變(Pulse Width Modulators)等其他更先進的數位資源。 整個晶片在待機模式下的電流消耗低至70nA，因而保證了最長的電池壽命。與當今業界常見使用更多分離元件的方案相比，它有助於降低成本，BOM，PCB尺寸，並可降低總體系統電流消耗。 Dialog Semiconductor可配置混合訊號事業部副總裁John McDonald表示，為GreenPAK產品系列增加高電壓功能將在馬達應用領域帶來巨大機會。 以超過50億個出貨量為基礎，新產品的推出將進一步加快GreenPAK在有刷馬達和步進馬達等更廣泛應用的採用速度，應用產業則從工業到消費性電子產品再到智慧家庭。 此外，除了SLG47105的推出之外，Dialog還發布了新一波GreenPAK Designer Software更新。 先前的版本使用GreenPAK Designer Software來配置、優化、模擬、測試和評估GreenPAK設計。...

在汽車產業電氣化如火如荼進行之際，摩托車也同步掀起電氣化熱潮。在Gogoro等新創公司帶頭試水溫，獲得不錯的市場回響後，傳統摩托車廠也紛紛展開相關布局，進而確立了摩托車電氣化的趨勢。 摩托車電氣化，將使得摩托車對電子零組件的需求大增，但也正如同電動汽車將對傳統引擎車的生態系統造成巨大衝擊，電動摩托車對現有摩托車產業的影響，同樣不容小看。從最上游的車廠研發端，到最下游的摩托車行，都必須做好面對衝擊跟挑戰的準備。 摩托車電子元件走向汽車規格 有趣的是，在電動摩托車竄起的過程中，來自汽車供應鏈的業者提供了不少幫助。台灣瑞薩(Renesas)電子車用事業部副理黃源旗(圖1)表示，其實摩托車跟汽車的供應鏈中，有不少廠商是重疊的，特別是Tier 1供應商。 圖1  台灣瑞薩電子車用事業部副理黃源旗 因此，在電動摩托車的發展過程中，供應鏈很明顯地分成兩個陣營，一派是沒有跟國際級Tier 1零部件供應商或國際車廠合作經驗的業者，這些供應商至今還是會在自家的產品中採用工規，甚至少部分商規元件。但如果是已經跟國際車廠/Tier 1有業務往來的供應商，基本上都會採用車規元件來開發自己的產品。 黃源旗解釋，汽車產業對於零部件的研發跟製造流程有很嚴謹的規定，有能力接車廠或Tier 1訂單的業者，一定要配合客戶的一整套流程與組織規範，故這類廠商通常不會再花額外的資源去發展或維護非車規的產品線。這是電動摩托車供應鏈之所以會分成兩個陣營的原因。 而隨著電動摩托車廠商近幾年累積了越來越多實戰經驗，很多車廠跟零部件製造商發現，摩托車的生命週期雖然不如汽車可長達十多年，但從摩托車出廠到報廢，平均壽命期間仍可長達5~10年，如果使用商規元件，很可能會遇到元件停產，找不到替代品的風險。這會使得電動摩托車的後續保養維護變成非常麻煩的問題。 因此，電動摩托車的車廠跟相關供應鏈業者，已經有很高的比例採用與汽車同等規格的零件。雖然車規元件的成本遠比商規高出數倍，也比工規元件貴了不少，但除了一分錢一分貨，品質有保證之外，車規元件的保證供貨時間都非常長，也能讓車廠等相關業者省下可觀的備料成本。 簡言之，如果車廠或零部件供應商採用商規或工規元件，省的是前期成本，但產品售出之後的後勤支援成本會很高；反之，採用車規元件的前期成本雖高，後期的維修備料卻非常省事。台灣某本土摩托車廠在跨入電動摩托車市場初期，曾經推出過幾款採用商規元件的車型，但很快就轉向車規元件，原因也在於該車廠意識到，商規電子零組件的保證供貨時間不像機械零組件那麼長，但摩托車的生命週期，卻是大多數消費性電子產品的好幾倍。 摩托車電氣化帶動電子元件需求 伴隨著電氣化，摩托車也開始跟汽車一樣，電子零組件使用量明顯增加。舉例來說，傳統摩托車除了電子燃油噴射(EFI)跟儀表板的控制單元(ECU)之外，只有重型機車搭載的防鎖定煞車系統(ABS)會用到微控制器(MCU)。但電動摩托車則截然不同，雖然沒有EFI，但卻多了馬達控制、馬達驅動、電池管理系統(BMS)等更複雜的電子系統。 此外，為了擴大電動摩托車跟傳統摩托車的功能差異，電動摩托車基本上都內建聯網功能，只是聯網技術的選擇不同，有些選用3G、4G，有些則是透過藍牙(Bluetooth)來連接車主的手機，借用手機來實現車聯網。 單以動力總成(Powertrain)來看，一台電動摩托車至少就會用到主控MCU、閘極驅動IC、功率MOSFET，以及位置感測器等馬達驅控相關的電子元件。至於儀表板，車商為了創造新的使用者體驗，擴大與傳統摩托車的差異，近幾年明顯吹起一股儀表板數位化浪潮，並回頭影響了傳統摩托車所使用的儀表板設計。 黃源旗透露，瑞薩在儀表板MCU市場上，擁有六成左右的市占率。就該公司觀察，現在新出廠的車款所搭載的儀表板，不管是燃油摩托車或電動摩托車，都已經很少採用純指針式的，主流產品採用的是指針搭配Segment LCD，高階儀表板則是完全用TFT-LCD螢幕來顯示所有資訊。 這個趨勢也影響了瑞薩在相關MCU產品線的布局。指針式儀表板基本上只要16位元MCU搭配步進馬達驅控功能，就足以滿足需求，但由於現在已經很少有純指針式儀表板，因此瑞薩目前針對主流儀表板所設計的MCU方案，都已經直接內建Segment LCD驅動功能。至於TFT-LCD儀表板，則必須使用帶有2D圖形處理引擎的32位元MCU來做為主控晶片。 至於在馬達驅控方面，由於電動摩托車的車身遠比汽車小，因此車廠在開發產品時，對於馬達驅控的要求，最大的挑戰是跟功率密度有關的議題。英飛凌(Infineon)電源管理與多元電子事業處總監梁錦文(圖2)指出，如何在有限的空間內實現最大的功率輸出，並保持優異的系統熱性能，是電動摩托車製造商目前共同面臨的挑戰。 圖2  英飛凌電源管理與多元電子事業處總監梁錦文 狹小的空間、功率不低的馬達，再加上摩托車電池的輸出電壓通常在48V~96V之間，不像電動汽車的電池，輸出電壓可達200~500V，因此電動摩托車的馬達驅動電流其實不容小覷。小空間、大電流與高功率馬達的結合，對馬達系統的散熱是很大的考驗。因此，英飛凌解決方案的開發目標，是以幫助客戶工程師能在受限的空間裡安置盡可能小巧的馬達驅動板，實現最大的功率輸出，並保持優異的系統熱性能，力保車輛運行的可靠性和使用壽命。這些特性也是英飛凌與其他對手產品最主要的差異所在。 由於電動機車對於功率密度的要求相當高，未來GaNFET有沒有機會切入此一市場呢？梁錦文認為，這個機會是存在的。目前大部分電動摩托車的馬達驅動設計還是基於矽MOSFET，比如英飛凌的OptiMOS/StrongIRFET，然而，隨著摩托車製造商對於空間尺寸的進一步要求，相信GaNFET也會在馬達驅動領域加速普及應用。 在電池管理系統方面，對電動摩托車來說，最主要的考驗跟大電流需求有關。針對BMS，英飛凌提出的解決方案包含帶有充放電保護的大電流功率MOSFET、防偽認證的加密晶片和微控制器。 由於電動摩托車的電流大，其他普通的設計方案需要並聯很多顆功率MOSFET來處理，不僅帶來並聯一致性問題需要處理，而且保護電路板的面積也相應比較大，成本自然也會有壓力。英飛凌的BMS解決方案針對這個設計痛點，建議採用低導通電阻的OptiMOS/StrongIRFET，加上散熱性能優異的元件封裝，並聯數量大幅減少，損耗比較低，一致性和可靠性更高。 比如說，英飛凌的MOSFET採用TO-leadless封裝，在80V耐壓上實現業界最低導通電阻1.2毫歐姆，100V產品實現1.5毫歐姆，是目前業界最優秀的產品。有客戶採用英飛凌2顆TO-leadless封裝的MOSFET取代10顆PQFN5x6封裝的元件，不僅板子尺寸顯著減小，物料採購數量減少，整體成本也更有競爭力。 電氣化將帶來摩托車產業洗牌 摩托車電氣化的趨勢，對摩托車產業鏈處理電子設計問題的能力，是一個很大的考驗。前面提到的儀表板與動力總成系統，以往都是以機械結構為主，電子系統的含量很低。但電動摩托車所搭載的電子系統數量大增，使得這類產品已經不再是機械學門的從業人員所熟悉的應用，而是電機學門的應用。 有半導體業界人士指出，電子電機跟機械是兩個截然不同的領域，雖然摩托車廠都知道電氣化是擋不住的趨勢，也有心想在電動摩托車領域有一番作為，但摩托車畢竟是傳統產業，很難開出足以跟電子大廠競爭的薪水，吸引電子電機領域的人才加入。另一方面，摩托車產業過去幾十年來一直是機械領域的人主導，因此看事情的角度跟電子電機領域的公司不太一樣，這種組織文化的氛圍，也不利於傳統車廠吸引新一代的電機人才加入。 該人士所屬的公司曾主辦過多場針對機車業者規畫的技術座談會，但每次與這些來自機車領域的專家交流，都會覺得兩個行業真是隔行如隔山。舉例來說，要跟車廠專家談ECU的程式設計議題，機械背景的車廠研發人員往往是似懂非懂；馬達驅控的情況還好一些，因為馬達是橫跨電子與機械兩個領域的技術，學機械的人通常也會對馬達有一定的理解，但如果講的題目太偏馬達控制，只要一牽涉到演算法，就得花很多心力去解釋。 這些都還只停留在摩托車的核心系統層面，如果要進一步談摩托車聯網的議題，特別是用3G/4G技術來實現聯網功能，摩托車廠的工程師大概只能舉手投降，因為這會涉及到射頻(RF)設計的專業，離機械領域十分遙遠。另一方面，任何應用只要一牽涉到行動通訊技術，就得遵守電信、網通公司制定的遊戲規則，對車廠來說，想在摩托車上導入相關功能，風險是很大的。這也是目前電動摩托車大多只搭載藍牙技術的主因之一。 傳統車行面臨生存考驗 對整體摩托車相關產業來說，電氣化所帶來的衝擊不只出現在產品研發端，負責為廣大摩托車主提供維修保養的支援體系，受到的影響更大。傳統摩托車對維修保養的需求，撐起台灣兩萬多家摩托車行的營運，也造就了台灣摩托車行比便利商店還多的世界奇觀。但機油、齒輪油、煞車來令、火星塞、空氣濾清器、皮帶等傳統摩托車必須定期更換的耗材，電動摩托車都不需要，在摩托車逐步電氣化的過程中，支撐這些傳統車行營運的收入來源，也會跟著消失。 摩托車業內人士就指出，雖然Gogoro有意利用傳統車行的廣大通路來增加其電動摩托車的能見度，並提供更便利的維修服務給車主，但電動摩托車的維修保養需求遠比傳統油車來得少，從車行的角度來看，維修電動摩托車是很難經營的生意。更何況電動摩托車系統規格遠比油車來得更封閉，一家車行要為不同品牌的電動摩托車提供維修服務，是很困難的。 事實上，即便是傳統油車，也有一些核心零部件是很難維修的，例如噴射引擎的EFI功能若發生故障，一定得要靠原廠的診斷電腦才能檢測，但摩托車行要取得一家原廠的診斷電腦，都得投入大量資金，想取得不同原廠的診斷電腦，則幾乎是不可能的任務，因為原廠的診斷電腦只會提供簽約配合的車行，但這種合作關係是排他性的，如果某家車行跟A原廠簽約，就無法再與B原廠簽同樣的合作協議。 除了資本設備、零組件規格的問題外，要目前的摩托車維修技師學會修理電動摩托車，也是件很困難的事情。電動摩托車的維修複雜度跟重型摩托車相當，維修技師除了要有機械領域的知識外，還需掌握基礎電學知識，否則根本無從修起。 業界人士悲觀地總結說，上述問題若不能解決，即便Gogoro喊出2020年底前要與1,000家傳統車行合作的目標，能不能達成還是個未知數。如果把眼光放遠，比如十年後，台灣還能有多少摩托車行繼續生存下去，更是個問號。很多老一輩的車行老闆，都已經有幾年後不如把店收一收，退休享清福的打算；年輕的修車師傅則還有足夠的學習能力跟誘因，去培養電動摩托車的維修技能，但中生代(目前40~50歲)的車行老闆或修車師傅，則處在不上不下的尷尬階段。 時代進步不等人　適者才能出頭天 每當能撼動一個產業的顛覆性技術突破出現，總有受益者跟受害者。就像汽車從傳統內燃機引擎轉向電力驅動的過程中，雖然讓許多汽車電子元件的供應商受益，但車廠、供應鏈業者甚至維修服務體系，也必須重新調整策略跟組織，才能因應汽車電氣化所帶來的新挑戰。 由於台灣的本土汽車產業鏈規模有限，因此在汽車電氣化的過程中，沒有受到太大的衝擊。但同樣的故事，也正在摩托車產業中上演，摩托車電氣化所帶來的影響，台灣社會肯定會非常有感。因應衝擊的對策為何，不僅考驗政府，也考驗每一個摩托車相關產業的從業人員。