廠商談汽車半導體技術趨勢之模擬器件

模擬器件

　　5.1 開關電容器充電泵穩(wěn)壓器受關注

　　凌力爾特公司電源管理產(chǎn)品副總裁Don Paulus：預計至少在未來的幾年時間，模擬器件增速將高于行業(yè)的整體水平。這是由于電子裝置取代了傳統(tǒng)的機電和液壓系統(tǒng)，因此一部標準的中型車輛如今包含了 100 多個處理器和幾十臺電機。車輛中分布式系統(tǒng)和診斷功能的激增對數(shù)字通信提出了更高的要求，這反過來又推動了數(shù)據(jù)速率的提高以及數(shù)字收發(fā)器需求量的增加。

　　歷史上，線性穩(wěn)壓器一直用于數(shù)字處理器、收發(fā)器和相關組件提供穩(wěn)壓的電源。但是隨著功率需求的增加，使用線性穩(wěn)壓器帶來的問題越來越多。線性穩(wěn)壓器是簡單和低成本器件，其具有非常緊湊和易于設計的應用電路。不過，當用于把汽車電池電壓轉換為數(shù)字組件所需的低電壓時，此類穩(wěn)壓器的效率低下。

對于系統(tǒng)設計師而言，一種替代方案是用開關模式 DC/DC 轉換器來取代線性穩(wěn)壓器。開關電源具有很高的效率，但也帶來了其特有的難題，包括電感器的選擇和供應、環(huán)路補償和降低輻射 EMI、以及解決方案相對復雜和占板面積較大等。

　　傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器應用的第二種替代方案是開關電容器充電泵穩(wěn)壓器。此類組件既擁有線性穩(wěn)壓器解決方案緊湊和簡單易用的優(yōu)點，同時又縮小了線性穩(wěn)壓器與開關穩(wěn)壓器之間的效率差距。凌力爾特提供了一個非常適合于這類應用的高電壓充電泵穩(wěn)壓器系列。例如：LTC3255 可采用一個范圍為 4V~48V 的輸入電壓提供高達 50mA 的負載電流，故障保護范圍則為 -52V 至 60V。其無負載靜態(tài)電流僅為 20µA。從 12Vin 至 5Vout 轉換的效率高于 80%，而從 12V 至 3.3V 轉換的效率則為 55%，產(chǎn)生的功率損耗僅為線性穩(wěn)壓器的大約 50%。與線性穩(wěn)壓器不同的是，充電泵亦可用于負輸出和降壓-升壓型應用。

　　5.2 48V系統(tǒng)帶來新的機會

　　Intersil公司精密產(chǎn)品副總裁Phillip Chesley：電源管理領域隨著汽車采用新48V系統(tǒng)而產(chǎn)生新的機會。汽車電子向48V的升級需要可靠且兼顧性價比的解決方案，這其中對技術水平要求之高，對半導體廠商而言確實是個非常大的挑戰(zhàn)。目前僅有極少供應商能夠提供60V汽車級的解決方案，以提供支持48V標準所需的設計裕量。因為標準高壓工藝的輸出電壓精度和紋波并不支持混合信號器件，如精密轉換器和放大器，所以許多供應商都在開發(fā)能夠在高壓工藝中經(jīng)濟地提供所需精度的技術。

　　需要強調的是，對于汽車電子系統(tǒng)而言，對電源效率的要求同樣是必不可少的。例如，Intersil通過創(chuàng)新電源解決方案使HEV(混合動力系統(tǒng))和pHEV(插電式混合動力)的效率提升了10%(通過監(jiān)測和平衡電池芯電壓的精度至2.3 mV)。該項數(shù)據(jù)的提升在實際應用中的體現(xiàn)，意味著駕駛距離可從100英里增加到110英里。再以電池組的壽命為例，電池組的保修期通常為10年，10%的效率提升意味著其壽命可延長一年。

　　汽車電子系統(tǒng)未來將有三大發(fā)展趨勢：首先，最令人激動的是電源管理領域隨著汽車采用新48V系統(tǒng)而產(chǎn)生新的機會;其次，安全及駕駛員輔助功能的需求，為信息娛樂系統(tǒng)的增長注入了新的動力。例如美國最近出臺了要求汽車配備后視攝像功能的規(guī)定等，而且世界其他地區(qū)也有類似法規(guī)正在制定之中，我們確信它將在全球范圍內成為中高端汽車的標準配置;第三，動力傳動系統(tǒng)的電氣化趨勢，這將是為Intersil帶來長期增長的另一個重要需求。

　　電源技術領域的進步已使得混合動力汽車更加向市場主流靠攏。電池技術的演變一直是其中一個重要因素。雖然傳統(tǒng)鉛酸電池仍然被用于汽車電子系統(tǒng)為了支持面向‘輕’負載的12V網(wǎng)絡所采用。但在可見的未來，可提供48V電壓的鋰離子電池將成為汽車電子更可靠的電源來用，用以支持包括制動在內的諸多重要功能性系統(tǒng)。除有更多電量外，鋰離子電池還有較高的能量密度，而且重量輕。在制動系統(tǒng)中，這意味著它們更適合于在制動器使汽車減速時進行能量收集。

　　靈活性對于與我們合作的OEM廠商同樣非常重要。不斷變化的電源要求和標準給汽車OEM廠商及其負責設計電源系統(tǒng)的合作伙伴制造了越來越多的難題。開發(fā)一種設計并將其重復、兼顧、可靠的用于各種電源系統(tǒng)負載以及支持12V、24V和48V要求的能力可大幅縮短研發(fā)周期、顯著降低成本。為此，Intersil專門開發(fā)了一種高集成度、多用途降壓轉移器，專用于幫助實現(xiàn)從高壓主軌(通常為12V、24V或48V)向低壓輔軌(通常為3.3V、5.0V或12V)的輕松轉換。其集成式峰值電流模式同步PWM控制器和集成式高邊及低邊FET驅動器進一步提升效率。

　　5.3 半導體配合汽車電子的關鍵趨勢

　　安森美半導體中國區(qū)應用工程總監(jiān)吳志民：半導體技術不斷配合汽車電子的關鍵趨勢。例如安森美半導體配合整車廠在新車型中應用自動“啟動/停止”(Start/Stop)功能，當汽車因為堵車或等紅燈而停下來時，這種創(chuàng)新的系統(tǒng)自動關閉發(fā)動機(熄火);而當駕駛人的腳從剎車踏板移向油門踏板時，就自動重新啟動發(fā)動機(點火)。這就幫助降低不必要的油耗，降低排放。

　　又如，LED已經(jīng)廣泛應用于汽車外部及內部的照明。由于LED尺寸小，能夠配合美觀別致的前照燈系統(tǒng)外觀造型設計，還能幫助提升汽車的主動安全性。例如，基于LED的自適應前照燈系統(tǒng)(AFS)可以改善夜間轉彎照明。

　　汽車應用也需要優(yōu)化發(fā)動機及變速箱控制，采用更加優(yōu)化的傳感器及傳感器接口，以及用于車載網(wǎng)絡的LIN、CAN和FlexRay收發(fā)器等。

　　由于汽車應用環(huán)境空間受限，同時也面對高溫等問題，用于汽車應用的半導體需要提升集成度，采用小巧及更高熱效率的封裝，減小占位面積，并提升耐高溫工作能力。如應用于汽車發(fā)動機點火模塊的IGBT，要求減小尺寸，提升長期可靠性及提高保護等級等。

　　5.4 DC/DC轉換器和充電器等多種電源集成

　　國際整流器公司(IR)技術市場和銷售執(zhí)行總監(jiān)Marc LeGrain：汽車電子技術最為重要的課題之一便是電池電壓從12V(目前的鉛酸電池)提升到48V和400V(鋰離子電池)。這種變化要求將汽中車的DC/DC轉換器和充電器等多種電源進行集成。

　　為了解決電池板網(wǎng)電壓提升的問題，IR特別針對汽車應用等產(chǎn)品，開發(fā)出像IGBT這樣可以耐受最高1200V的擊穿電壓的半導體。逆變器要求優(yōu)化的IGBT技術，它將導通和開關損耗以及短路性能進行折中，而轉換器正在采用超快速的IGBT，可以允許最高達200kHz的開關頻率，以降低濾波的成本和占位面積。

　　電子產(chǎn)品供應商也在努力開發(fā)創(chuàng)新型技術，提高電流密度，以實現(xiàn)電動機械環(huán)境中的電子產(chǎn)品的集成，因此，那些要求線纜和連接器的單個的電子模塊將被取代。這些開發(fā)大大縮減了系統(tǒng)成本和尺寸。在最近的幾個季度，出現(xiàn)了大量的封裝創(chuàng)新，用以提高功率密度和縮減系統(tǒng)尺寸。

　　5.5 IGBT和MOSFET的重要性

　　飛兆半導體資深技術專家兼技術市場工程師Gary Wagner：功率電子將在汽車應用中發(fā)揮更多重要的作用。由于汽車制造商需要設計對環(huán)境影響更小、更高效的車輛，將汽車系統(tǒng)電氣化變得必不可少。分立功率技術比如有更出色短路保護性能、擎住效應抵抗力更強、更低飽和壓降的場截止溝道IGBT，以及低導通損耗、增強的開關性能的超結MOSFET技術將使這些電氣系統(tǒng)得以推廣。另外的趨勢是對電源管理和包括診斷能力在內的控制功能的整合，以及功耗和整體尺寸減小。

        具有低導通損耗且能以更高頻率工作的堅固耐用的IGBT和MOSFET技術非常重要。IGBT的發(fā)展趨勢是朝更高的開關速度、更低的飽和壓降、更強的抗短路能力方向發(fā)展;MOSFET的發(fā)展趨勢需要有更低的導通電阻和更高的開關速度。同時，柵極驅動IC與新創(chuàng)的分立功率器件技術控制需求一起發(fā)展，讓系統(tǒng)設計者能充分利用功率器件增強的開關特性。封裝趨勢包括使用模塊集成分立功率器件、附加的控制和診斷電路，從而縮短設計周期，提高系統(tǒng)效率，減少尺寸，提高散熱性能。

　　Fairchild關注內燃機點火系統(tǒng)中的IGBT，以及輔助電氣系統(tǒng)里對三相電機進行控制的功率模塊等若干領域。