汽車電源管理IC:集成還是分立?

2015-01-20 18:37:39 來源:本站原創

    由于手機行業對于基板空間的要求極為嚴苛,手機電源管理IC的SoC化趨勢已經十分明顯,然而目前正有越來越多的模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。究竟是分立,還是集成?手機電源管理市場曾經一度熱議。未來這一爭端也將向汽車行業延伸?

    車用電源管理SoC不斷推出

    越來越多模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。

    “綠色環?!备拍钤谌蚍秶鷥纫呀浬钊肴诵?,而電源管理技術在提高產品功率效率方面發揮著重要作用,廣泛應用于照明、電信、電網、家電、汽 車等幾乎所有電子設備之中。由于受SoC化設計趨勢的影響,近年來電源管理IC技術表現出越來越強的集成化趨勢?!疤貏e是在便攜設備領域這一趨勢已十分明 顯?!卑采?a href="http://www.jimdrew-ifguitarscouldspeak.com/semi" target="_blank" class="keylink">半導體中國區應用工程總監吳志民告訴記者,“為了配合消費者對纖薄外形的需求,設計人員的一項可行策略就是選擇集成多種功能的主芯片組,同時 選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)簡化設計,使控制電源所需的資源減至最少,并將外形因數保持在可控范圍之內?!?/p>

    目前這一趨勢正向汽車電子領域蔓延,越來越多模擬電路大廠開始推出車用電源管理IC的SoC解決方案。英飛凌科技近日發布兩款基于ARM Cortex-M3內核,并集成了非易失存儲器、模擬和混合信號外設、通信接口、MOSFET柵極驅動器的嵌入式電源管理IC。其中,TLE987x系列 適用于三相(無刷直流)電機,TLE986x系列適用于二相(直流)電機。英飛凌汽車電子事業部系統應用副總裁Hans Adlkofer表示:“這種系統芯片方法結合了強大的微控制器、柵極驅動器以及所有必要的傳感、控制和驅動功能,能夠提供更低的系統成本、更高的可靠性 以及更低的系統復雜性?!?/p>

    安森美半導體推出的兩款PMIC適合于汽車動力系統及車廂內應用。安森美半導體汽車產品分部總監Jim Alvernaz表示:“NCV8876是能夠針對汽車電池電壓狀況自動作出反應的現成器件,而其他可選方案要么要求設計定制專用集成電路,要么基于分立 元件,但提供慢得多的響應時間。NCV896530由于提供2.1MHz開關頻率,不會與調幅(AM)頻段相互干擾,因為它的兩個通道彼此180°異相, 電壓軌上的峰值電流需求大幅下降?!?/p>

    美信半導體則針對汽車儀表盤應用,推出高集成度汽車電源管理芯片MAX16993。美信半導體表示,該方案集成了一個高開關頻率控制器和兩路輸出轉換器(每個轉換器可輸出3A電流),與傳統分立方案相比,可節省50%以上的基板面積。

    集成化方案需求增長

    集成化的電源管理IC可有效降低系統設計的復雜性,節約基板空間,同時降低系統成本。

    “設備正變得越來越復雜和需要更先進的電源管理解決方案來幫助設計工程師克服在添加更多功能特性、更高分辨率顯示屏和更快更復雜處理器時遇 到的挑戰。這需要更高效的升壓-降壓穩壓器以及充電技術,特別是電源管理技術?!盜ntersil基礎設施和工業電源產品高級副總裁Mark Downing表示。目前,汽車上使用的半導體產品種類和數量一直在增加,這導致現今汽車設計中的一項很有諷刺意味的情況:能源效率越來越高,但其承載的 電氣要求卻越來越多。這些要求包括了從一系列安全相關功能到車內舒適性、聯通性和娛樂功能的方方面面,例如基本的AM/FM收音機、衛星無線電、多媒體系 統接口、GPS、蜂窩支持、Bluetooth、WiFi等。這又進一步帶來了對電源管理等先進技術的需求。

    “動力總成系統的電氣化使半導體產品對汽車運動和性能具有更重要的意義。另外,車載信息娛樂和安全應用程序也在增多,使得電源管理芯片在改 善電動及混合動力汽車能源效率方面扮演的角色越來越重要。而集成化的電源管理IC可有效降低系統設計的復雜性,節約基板空間,同時降低系統成 本?!盚ans Adlkofer表示。除了眾所周知的汽車基本電源問題之外,還有一些新問題出現。如越來越多的汽油引擎汽車采用“啟停模式”以降低油耗:在停車標示以及 等紅燈或類似情況時關閉引擎,然后當駕駛員踩下油門踏板時,在不足1秒的時間內重新啟動引擎,可將空轉油耗降至最低。然而,汽車每次停止后再重新啟動,都 會對電氣系統造成拋負載和瞬態影響。而在走走停停的交通環境下,這種現象非常頻繁發生。較好的解決方法就是采用高度集成的電源管理IC。這些IC提供多個 直流電源,專門針對汽車環境而設計。

    分立方案將長期存在

    集成化并不能解決全部問題。不同汽車,不用電源域的需求各有不同。

    雖然高集成度PMIC的應用日益增多,但是即便在便攜式產品中也不是所有電源域都需要采用高集成度的PMIC?!半S著便攜產品功能不斷增 多,集成度相對較低的電源轉換IC的需求也在增加,以此配合增加新功能。例如,為了給高耗電的應用處理器供電,設計人員可能需要使用DC-DC開關穩壓 器。又如,許多智能手機都配備HDMI接口,方便用戶傳輸視頻數據。這些HDMI接口采用+5V電壓供電,高于便攜產品中常用的鋰離子電池的供電電壓,這 時候就需要DC-DC升壓轉換器?!眳侵久癖硎?。

    “客戶為什么選擇電源管理SoC方案?是因為它的系統成本優勢,以及對基板空間的節省?!盚ans Adlkofer指出。但是Hans Adlkofer也承認,集成化并不能解決全部問題。不同汽車、不用電源域的需求各有不同。

    一個PMU往往只能針對某類應用,甚至某個產品,從某種角度來看,這有些類似ASSP(專用標準產品),其擴展應用性不如分立解決方案,而 且分立解決方案可以根據需求選擇最適合的電源管理芯片,甚至可能實現更高的能效。由于分立和集成各有優勢,而且汽車電子產品大多數情況對基板空間要求并不 如智能手機那么嚴苛。因此,集成化和分立的解決方案將會長期存在。

    此外,還有一點需要注意,畢竟集成化是集成電路產業發展的總體趨勢。我國本土電源管理IC設計生產廠商雖然眾多,但是能設計、生產面向高端 應用的集成多功能電源管理SoC的并不多。為避免趨向無利的低價競爭,國內電源管理廠商也需要不斷提高自身技術水平,發展差異化的、高度集成的電源管理 IC,滿足新市場、新產品的需求。

    廠商觀點

    英飛凌汽車電子事業部系統應用副總裁Hans Adlkofer

    智能電機控制需要高效、低價解決方案

    智能電機控制應用需要各種各樣受能效、系統成本降低和舒適型需求影響的復雜的電機控制方案。英飛凌利用ARM Cortex-M3 處理器,用智能電機控制的新汽車級品質嵌入式功率系列來解決這些設計難題。這種系統芯片方法結合了強大的微控制器、柵極驅動器以及所有必要的傳感、控制和 驅動功能,因此英飛凌的可擴展嵌入式功率系列能夠讓汽車系統供應商受益于更低的系統成本、更高的可靠性以及更低的系統復雜性。

    以前的多芯片設計需要獨立的微控制器、橋式驅動器以及LIN(本地互聯網絡)收發器,而現在電機控制設計只需要最少的外部組件,讓汽車系統 供應商能夠從中受益。新推出的嵌入式功率產品將組件數量從現在的大約150多個減少至30個以下,在僅僅3cm2的PCB空間內集成了電機控制的所有功能 和相關外部組件。因此,嵌入式功率系列使電機的電子集成更接近真正的機電一體化設計。

    安森美半導體中國區應用工程總監吳志民

    重點關注提升電機的燃油經濟性

    安森美半導體提供一系列的微型電源管理IC(mini-PMIC)。這些微型電源管理IC集成多個DC-DC開關轉換器或低壓降(LDO) 線性轉換器,同時還可能集成其他多種控制或保護功能等。安森美半導體的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP691/5、NCP6924/5 等。在汽車領域,安森美重點關注幫助提升燃油經濟性及降低排放的啟動-停止交流發電機、汽油直噴發動機、混合動力汽車、雙離合及6+速變速箱等技術,幫助 提升安全及舒適的LED照明、車門模塊、停車輔助、傳感器、信息娛樂系統、高級先進駕駛員輔助系統技術,及線控和電機控制技術。

    在汽車方面,中國客戶需要完整的汽車電子方案和良好的技術支援,安森美在中國上海的解決方案工程中心(SEC),配備有在不同應用領域擁有豐富經驗的資深專家,能為客戶提供同類最佳的技術支援。

    Intersil基礎設施和工業電源高級副總裁Mark Downing

    電源模塊在系統成本上優勢顯著

    電源模塊是通過集成和提高智能化程度來加強創新的一個很好例子。它們很好地指明了器件集成度向更高水平發展的趨勢。為支持這些大電流電路,設備制造商常常依賴于復雜、需要占用寶貴電路板空間并可能具有顯著功率輸出限制的分立電源解決方案。

    降壓型穩壓器用于把來自分布式電源總線的電力轉換后提供給基礎設施系統中的獨立負載點(POL)。較新的基礎設施系統可能在一個系統中使用 20~40個負載點(降壓型)轉換器,其中每個轉換器都具有不同的輸出電壓和輸出電流需求,這給系統電源工程師帶來了挑戰。為迎接為這些系統設計電源子系 統的挑戰,許多設計工程師都在考慮使用電源模塊而非傳統的分立POL設計,這背后的推動因素包括上市速度、尺寸限制、可靠性和設計能力等。

    實現分立設計的初始成本可能少于使用電源模塊,但如果把上市速度和長期工程及維護成本考慮進來,電源模塊就顯示出顯著優勢,特別是對具有 10個或更多電源軌的系統來說。擁有成本、設計復雜性的降低以及簡化的和更加靈活的電路板布局都是高集成度模塊將繼續占領市場份額的原因。 Intersil提供全面的數字及模擬電源模塊產品,以適應下一代系統的寬輸入電壓范圍和負載電流范圍。

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