由于传统马达惊人的耗电量造成能源上的高负担，美、加巿场已开始强制要求马达必须兼顾能源效率，并对违规者祭出严重罚锾，进而撼动全球马达产业的革新与翻盘。台湾生产的马达中，有多项产品产量占世界第一，在全球巿场占有一席之地。台湾马达相关产业势必要加速提升自身技术，革新产品的设计与制造能力，并趁势赶上这一波马达能效变革的庞大商机。

以往旧有的马达设计，已无法符合节能高效的要求，因应马达效率要求日趋严格，国际上在马达节能技术方面将朝向降低转子、定子的损失，开发连续操作的定速马达、可调整负载变化的变速马达、永磁马达等新马达技术及应用马达控制技术（如变频器）发展，以提高马达效率。

为因应全球对电子产品日益严格的节能效率要求，CTIMES日前邀集了Silicon Labs、茂宣企业、Linear Technology、Allegro和文晔科技共同举办了「高效能马达关键技术研讨会」，针对新一代电子产品对节能技术的要求进行深入讨论，范围涵盖高效能马达国际节能发展趋势、高效能马达MCU节能控制技术、高速隔离器为马达控制应用带来的效益，以下为研讨会重点实纪。

图一 : CTIMES主办的高效能马达关键技术研讨会，报名参加者踊跃，现场坐无需席。

马达设计决定节能效益

「机械为工业之母，马达则为机械之母」，马达为各种动力机械的核心设备，目前已广泛应用在泵浦、送风机、压缩机、空压机、工具机等相关设备。由于马达动力设备所耗电力约占工业用电近70%，成为主要的用电设备。

工研院机械所能源机械部经理郑咏仁表示，马达耗电量占总用电量之46%，而根据国际能源总署资料中指出，使用高效率马达约可节省4～5%的马达用电，如果再结合马达​​驱动系统（例如：马达大小、泵浦管线、传动装置、工厂制程等进行效率最佳化）更可省下20～30%的马达系统用电。郑咏仁进一步指出，正确选用马达与系统设计，能够在长时间使用下节省相当可观的电力花费。

IEK的研究报告中亦特别指出七项影响动力机械系统节能的因素，分别为：1.马达本身的效率。 2.被带动旋转机械的效率。 3.动力传动系统的效率。 4.系统的匹配设计。 5.系统的控制操作。 6.系统的管理与维修。 7.供应电源的品质。简言之，只要改善马达系统便可提升用电效率20%～25%，由此可见使用高效率马达所带来的效益相当高。

由于采AC（交流电）电源设计的电器设备在能源转换效率方面不甚理想，因而带动采DC（直流电）电源设计的电器设备迅速窜起。为了要通过欧美的环保节能标准规范，MCU业者也陆续采用DC电源设计的电器设备。目前MCU应用的领域相当广泛，其中又以马达控制占MCU应用最大比例，而马达类别可区分为：AC（交流电）马达、DC（直流电）马达、步进马达以及特殊领域专用马达这四大类别。

Silicon Labs芯科实验室亚太区MCU市场经理彭志昌表示，马达控制和其他工业电力系统必须具备长期可靠性以及延长的保固期，并且能够安全运行长达20年，不过容易发生故障状况的光耦合驱动器往往成为关键问题。其主要的原因在于光耦合驱动器基于LED技术，使得讯号输出容易受到输入电流、温度和老化的影响。

隔离器设计要领

针对高速隔离器为马达控制应用带来的效益议题，Silicon Labs资深应用工程师刘斐中指出，由于隔离器的参数要求取决于终端设备应用的需求，因此设计者往往很重视隔离器参数的设定。

举例来说，在嘈杂的工业环境中使用隔离器，可能会让设计者优先考虑高共模瞬态抗扰度（CMTI），而不是低功耗操作。因此高精度的ADC应用亦可能导致设计者优先考虑低抖动，而非脉冲宽度失真。对此，设计者绝大多数会采取独立验证这些参数的方式，以便确保能够符合系统要求。

目前新型的隔离式闸极驱动器已可支援高达5kV隔离等级和10kV电涌保护，其理想的配置和封装更加适合替换光耦合驱动器，并且能够广泛应用在高功率马达控制、工业驱动器、太阳能电源和EV/HEV逆变器、交换式和不断电供应系统等。

此外，由于HEV/EV、太阳能和风能系统等应用要求隔离器具备20年以上的使用寿命，并且通常在120°C以上的高温环境中运行，为了确保噪声工业环境下的数据完整性，需要稳定的、具有高度共模瞬变事件抗扰度的隔离设备。

图二 : 隔离器运作架构示意图（数据源:Silicon Labs）

时脉设计要领

一般来说，工程师在为自己的设计选择架构之前，首先必须要厘清硬体设计的参考时脉需求。时脉树的设计有简单也有繁复，完全取决于系统需求。如果IC本身已经整合振荡器和PLL，就可使用石英晶体；若是需要多个参考频率，则通常会使用时脉产生器和时脉缓冲器。

Silicon Labs公司资深产品经理沉炫均表示，常见的时脉树架构包含有自由运行(Free Running)和同步(Synchronous)两种。在自由运行架构中，时脉与时脉间不需要有相位关系，亦不需有同步关系，纯粹只需要时脉源而已。传统由数个振荡器组成的时脉即可视为典型的自由运行时脉树架构，即使其中使用一些时脉缓冲器，它们之间也没有相关性。而同步时脉架构基本上要求固定相位，或可说其频率具有跟随效应，以确保资料传输的可靠性。

沉炫均指出，一般定义的时脉树基本上是由时脉源加上数个元件以支援多个输出的设计。常见的时脉树组成元件包括振荡器、缓冲器、时脉产生器，以及针对电信级应用的去抖动的时脉产生器等。在这些元件中，缓冲器无法改变频率，而时脉产生器因内含PPL因而能够改变频率，但ppm值仍以时脉源为主。

在一个系统中可能有数颗主元件，每一颗所需的时脉都不同，因而你的时脉树设计必须具备足够弹性，才能应用在系统中的所有主元件，甚至可供多个系统使用。设计时脉树时，追求性能很可能影响系统稳定度，因而必须在性能和弹性之间做出折衷，取得最佳平衡。

图三 : 电子系统频率运作架构示意图（数据源:Silicon Labs）

更便利的PoE供电技术

愈来愈多电子设备依靠乙太网路连结，从电脑、电脑、游戏机到冷气和数位家庭控制都包括在内。正是由于生活中有如此多的乙太网路布线，工程师们便开始设想如何运用乙太网路汇流排来做供电，因而发展出了PoE技术。

茂宣企业应用工程师陈俞阡针表示，除了同时传输资讯和电力的便利性以外，PoE也能为客户或终端使用者提供进一步机制保护，例如过压、过流、开路或短路等功能，以提升产品整体性能。与其他的供电网路技术如PLC相比，PoE的规范确保了元件互通性，制造商可以使用任何品牌的PoE晶片。

最初IEEE 802.3af为设备定义了12.95W的供电，但随着连网设备数量增加，PoE应用更加广泛，因而IEEE在2009年再制定了IEEE 802.3at，将输出功率提升到25.5W。陈俞阡表示，新一代PoE规范除了将原先的350mA限流提高到600mA以外，还增加了检测机制以提高相容性。

提升电流和输出功率的优势在于能在一个网路中容纳更多设备，举例来说，笔电或许可以不用再携带电源转换器而能使用乙太网路直接供电了。此外，PoE的好处不只在减少线缆数量，它的安装也更加简便，而且布线成本也很低，后续维修、保养和电源管理都能轻松实现。

变频马达，时代所趋

变频马达的应用很广，举凡家电、遥控、电动车到自动控制都包含在内。茂宣企业FAE经理杨智光表示，直流无刷马达（BLDC Motor）具有高转距与高转速的特性，透过向量控制来提高精度，也让驱动电流反应速度加快。这些特性也让BLDC能够达到降低功耗的诉求，而且能采用多重介面进行控制。

杨智光指出，采用硬体驱动IC来控制直流无刷马达（BLDC Motor）可降低程式运算负荷，且具有程式设计简单稳定、可简化电路设计和缩短研发时程等优势，对于诉求稳定、耐用的大多数马达设计来说，目前已经有许多现成的解决方案可协助厂商快速开发出产品​​。

图四 : BLDC马达运作原理示意图（数据源:茂宣）

图五 : 工研院机械所能源机械部经理郑咏仁

图六 : Silicon Labs亚太区微控制器市场经理彭志昌

图七 : Silicon Labs资深应用工程师刘斐中

图八 : Silicon Labs资深产品经理沈炫均

图九 : 茂宣企业应用工程师陈俞阡

图十 : 茂宣企业FAE经理杨智光