半导体

汽车电源管理IC:集成还是分立?

作者:陈炳欣来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2015-01-16 09:52我要评论

由于手机行业对于基板空间的要求极为严苛,手机电源管理IC的SoC化趋势已经十分明显,然而目前正有越来越多的模拟电路大厂开始推出车用电源管理IC的SoC解决方案。究竟是分立,还是集成?手机电源管理市场曾经一度热议。未来这一争端也将向汽车行业延伸?

车用电源管理SoC不断推出

越来越多模拟电路大厂开始推出车用电源管理IC的SoC解决方案。

“绿色环保”概念在全球范围内已经深入人心,而电源管理技术在提高产品功率效率方面发挥着重要作用,广泛应用于照明、电信、电网、家电、汽车等几乎所有电子设备之中。由于受SoC化设计趋势的影响,近年来电源管理IC技术表现出越来越强的集成化趋势。“特别是在便携设备领域这一趋势已十分明显。”安森美半导体中国区应用工程总监吴志民告诉记者,“为了配合消费者对纤薄外形的需求,设计人员的一项可行策略就是选择集成多种功能的主芯片组,同时选用高集成度的电源管理集成电路(PMIC)简化设计,使控制电源所需的资源减至最少,并将外形因数保持在可控范围之内。”

目前这一趋势正向汽车电子领域蔓延,越来越多模拟电路大厂开始推出车用电源管理IC的SoC解决方案。英飞凌科技近日发布两款基于ARM Cortex-M3内核,并集成了非易失存储器、模拟和混合信号外设、通信接口、MOSFET栅极驱动器的嵌入式电源管理IC。其中,TLE987x系列适用于三相(无刷直流)电机,TLE986x系列适用于二相(直流)电机。英飞凌汽车电子事业部系统应用副总裁Hans Adlkofer表示:“这种系统芯片方法结合了强大的微控制器、栅极驱动器以及所有必要的传感、控制和驱动功能,能够提供更低的系统成本、更高的可靠性以及更低的系统复杂性。”

安森美半导体推出的两款PMIC适合于汽车动力系统及车厢内应用。安森美半导体汽车产品分部总监Jim Alvernaz表示:“NCV8876是能够针对汽车电池电压状况自动作出反应的现成器件,而其他可选方案要么要求设计定制专用集成电路,要么基于分立元件,但提供慢得多的响应时间。NCV896530由于提供2.1MHz开关频率,不会与调幅(AM)频段相互干扰,因为它的两个通道彼此180°异相,电压轨上的峰值电流需求大幅下降。”

美信半导体则针对汽车仪表盘应用,推出高集成度汽车电源管理芯片MAX16993。美信半导体表示,该方案集成了一个高开关频率控制器和两路输出转换器(每个转换器可输出3A电流),与传统分立方案相比,可节省50%%以上的基板面积。

集成化方案需求增长

集成化的电源管理IC可有效降低系统设计的复杂性,节约基板空间,同时降低系统成本。

“设备正变得越来越复杂和需要更先进的电源管理解决方案来帮助设计工程师克服在添加更多功能特性、更高分辨率显示屏和更快更复杂处理器时遇到的挑战。这需要更高效的升压-降压稳压器以及充电技术,特别是电源管理技术。”Intersil基础设施和工业电源产品高级副总裁Mark Downing表示。目前,汽车上使用的半导体产品种类和数量一直在增加,这导致现今汽车设计中的一项很有讽刺意味的情况:能源效率越来越高,但其承载的电气要求却越来越多。这些要求包括了从一系列安全相关功能到车内舒适性、联通性和娱乐功能的方方面面,例如基本的AM/FM收音机、卫星无线电、多媒体系统接口、GPS、蜂窝支持、Bluetooth、WiFi等。这又进一步带来了对电源管理等先进技术的需求。

“动力总成系统的电气化使半导体产品对汽车运动和性能具有更重要的意义。另外,车载信息娱乐和安全应用程序也在增多,使得电源管理芯片在改善电动及混合动力汽车能源效率方面扮演的角色越来越重要。而集成化的电源管理IC可有效降低系统设计的复杂性,节约基板空间,同时降低系统成本。”Hans Adlkofer表示。除了众所周知的汽车基本电源问题之外,还有一些新问题出现。如越来越多的汽油引擎汽车采用“启停模式”以降低油耗:在停车标示以及等红灯或类似情况时关闭引擎,然后当驾驶员踩下油门踏板时,在不足1秒的时间内重新启动引擎,可将空转油耗降至最低。然而,汽车每次停止后再重新启动,都会对电气系统造成抛负载和瞬态影响。而在走走停停的交通环境下,这种现象非常频繁发生。较好的解决方法就是采用高度集成的电源管理IC。这些IC提供多个直流电源,专门针对汽车环境而设计。

分立方案将长期存在

集成化并不能解决全部问题。不同汽车,不用电源域的需求各有不同。

虽然高集成度PMIC的应用日益增多,但是即便在便携式产品中也不是所有电源域都需要采用高集成度的PMIC。“随着便携产品功能不断增多,集成度相对较低的电源转换IC的需求也在增加,以此配合增加新功能。例如,为了给高耗电的应用处理器供电,设计人员可能需要使用DC-DC开关稳压器。又如,许多智能手机都配备HDMI接口,方便用户传输视频数据。这些HDMI接口采用+5V电压供电,高于便携产品中常用的锂离子电池的供电电压,这时候就需要DC-DC升压转换器。”吴志民表示。

“客户为什么选择电源管理SoC方案?是因为它的系统成本优势,以及对基板空间的节省。”Hans Adlkofer指出。但是Hans Adlkofer也承认,集成化并不能解决全部问题。不同汽车、不用电源域的需求各有不同。

一个PMU往往只能针对某类应用,甚至某个产品,从某种角度来看,这有些类似ASSP(专用标准产品),其扩展应用性不如分立解决方案,而且分立解决方案可以根据需求选择最适合的电源管理芯片,甚至可能实现更高的能效。由于分立和集成各有优势,而且汽车电子产品大多数情况对基板空间要求并不如智能手机那么严苛。因此,集成化和分立的解决方案将会长期存在。

此外,还有一点需要注意,毕竟集成化是集成电路产业发展的总体趋势。我国本土电源管理IC设计生产厂商虽然众多,但是能设计、生产面向高端应用的集成多功能电源管理SoC的并不多。为避免趋向无利的低价竞争,国内电源管理厂商也需要不断提高自身技术水平,发展差异化的、高度集成的电源管理IC,满足新市场、新产品的需求。

厂商观点

英飞凌汽车电子事业部系统应用副总裁Hans Adlkofer

智能电机控制需要高效、低价解决方案

智能电机控制应用需要各种各样受能效、系统成本降低和舒适型需求影响的复杂的电机控制方案。英飞凌利用ARM Cortex-M3 处理器,用智能电机控制的新汽车级品质嵌入式功率系列来解决这些设计难题。这种系统芯片方法结合了强大的微控制器、栅极驱动器以及所有必要的传感、控制和驱动功能,因此英飞凌的可扩展嵌入式功率系列能够让汽车系统供应商受益于更低的系统成本、更高的可靠性以及更低的系统复杂性。

以前的多芯片设计需要独立的微控制器、桥式驱动器以及LIN(本地互联网络)收发器,而现在电机控制设计只需要最少的外部组件,让汽车系统供应商能够从中受益。新推出的嵌入式功率产品将组件数量从现在的大约150多个减少至30个以下,在仅仅3cm2的PCB空间内集成了电机控制的所有功能和相关外部组件。因此,嵌入式功率系列使电机的电子集成更接近真正的机电一体化设计。

安森美半导体中国区应用工程总监吴志民

重点关注提升电机的燃油经济性

安森美半导体提供一系列的微型电源管理IC(mini-PMIC)。这些微型电源管理IC集成多个DC-DC开关转换器或低压降(LDO)线性转换器,同时还可能集成其他多种控制或保护功能等。安森美半导体的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP691/5、NCP6924/5等。在汽车领域,安森美重点关注帮助提升燃油经济性及降低排放的启动-停止交流发电机、汽油直喷发动机、混合动力汽车、双离合及6+速变速箱等技术,帮助提升安全及舒适的LED照明、车门模块、停车辅助、传感器、信息娱乐系统、高级先进驾驶员辅助系统技术,及线控和电机控制技术。

在汽车方面,中国客户需要完整的汽车电子方案和良好的技术支援,安森美在中国上海的解决方案工程中心(SEC),配备有在不同应用领域拥有丰富经验的资深专家,能为客户提供同类最佳的技术支援。

Intersil基础设施和工业电源高级副总裁Mark Downing

电源模块在系统成本上优势显著

电源模块是通过集成和提高智能化程度来加强创新的一个很好例子。它们很好地指明了器件集成度向更高水平发展的趋势。为支持这些大电流电路,设备制造商常常依赖于复杂、需要占用宝贵电路板空间并可能具有显著功率输出限制的分立电源解决方案。

降压型稳压器用于把来自分布式电源总线的电力转换后提供给基础设施系统中的独立负载点(POL)。较新的基础设施系统可能在一个系统中使用20~40个负载点(降压型)转换器,其中每个转换器都具有不同的输出电压和输出电流需求,这给系统电源工程师带来了挑战。为迎接为这些系统设计电源子系统的挑战,许多设计工程师都在考虑使用电源模块而非传统的分立POL设计,这背后的推动因素包括上市速度、尺寸限制、可靠性和设计能力等。

实现分立设计的初始成本可能少于使用电源模块,但如果把上市速度和长期工程及维护成本考虑进来,电源模块就显示出显著优势,特别是对具有10个或更多电源轨的系统来说。拥有成本、设计复杂性的降低以及简化的和更加灵活的电路板布局都是高集成度模块将继续占领市场份额的原因。Intersil提供全面的数字及模拟电源模块产品,以适应下一代系统的宽输入电压范围和负载电流范围。


责任编辑:苏滢
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