一場汽車電源IC集成化的爭奪戰(zhàn)：單器件硬實力是入場券

縱觀電源管理IC行業(yè)，逐漸從分立到模塊，這是因為模塊化產(chǎn)品顯然在功率密度、體積、功耗、成本和穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢，一個小小的模塊中飽含著一個企業(yè)多年耕耘的精益技術(shù)。

實際上，不僅單一器件逐漸模塊化，整體架構(gòu)也正從分布式架構(gòu)趨向集成架構(gòu)。這是因為電源運作并非依賴單一器件，產(chǎn)品中會擁有多種功能芯片管理不同電源區(qū)域，也會擁有多種不同類型的管理芯片。

其實從TI（德州儀器）此前發(fā)布的產(chǎn)品就可窺探出，其在方案上時常強調(diào)整體性，這是因為TI不僅擁有廣度極高的產(chǎn)品線，也擁有極佳的產(chǎn)品組合方案。

實際上，TI現(xiàn)在已從簡單的機械多合一轉(zhuǎn)向為更高層次的控制級整合甚至功率級整合。日前發(fā)布的面向電動汽車的動力總成集成解決方案，就實現(xiàn)了50%的系統(tǒng)尺寸和成本的降低。

動力總成集成擁有降低成本和體積的魔力

“各國政府正在政策方面持續(xù)推動電動汽車發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示2020年中國電動汽車銷量達到136萬輛，創(chuàng)造歷史新高。預計到2025年，電動汽車銷量將達到500萬量，占整個乘用車的20%”，德州儀器中國區(qū)汽車業(yè)務部現(xiàn)場技術(shù)應用經(jīng)理周東寶如是說。

周東寶表示，在高漲下電池的安全性、充電的便捷度、續(xù)航里程數(shù)、相比燃油車的成本都成了新能源汽車普及的一座大山。在此背景之下，為降低電動汽車成本、提高普及率，TI走了動力總成集成的路。

利用多合一的動力總成集成系統(tǒng)，不僅能夠提高功率密度、增加可靠性、優(yōu)化成本，還可以使系統(tǒng)具備標準化和模塊化能力，設計和組裝更簡易。當然，集成也不是簡單的“放到一個鍋里煮”，也是分難易度的，越難越徹底的集成獲得的縮減尺寸和成本效果越好，但對于電源管理IC企業(yè)來說設計難度也會直線增加。

目前市場上存在兩種動力總成集成方式，一種偏向于物理集成，即從物理上將器件放在一個盒內(nèi)，利用接插件共用的概念，一般是通過共享器件間外殼和冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)集成；另一種偏向于控制級和功率級整合，在物理集成基礎上，通過共享控制電路及功率電路和磁性整合實現(xiàn)更好的尺寸和成本，當然這樣也會帶來更加復雜的控制算法。

動力總成集成也擁有多種組合方式，根據(jù)周東寶的介紹，傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)包括電機控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、電源管理系統(tǒng)（BMS）等。根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，分為二合一的方案、三合一的方案、五合一的方案幾種不同的組合。

提供復雜的控制級和功率級集成

TI提供的是電機控制器、車載充電器和DC/DC的三合一的解決方案，從直觀的架構(gòu)圖對比來看，這種三合一的解決方案可以大幅度地優(yōu)化整個系統(tǒng)的架構(gòu)，通過共享部分的控制電路降低了整個驅(qū)動成本的重量和體積。

而這種集成是更復雜的控制邏輯和功率層級方面的集成。一方面，通過共享外殼的耦合以及冷卻系統(tǒng)，減少連接器的數(shù)量；另一方面，通過更進一步的共享控制電路以及共享功率電路等，有效地降低電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時提高電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度。

“我們預計集成化的方案可以幫助整個系統(tǒng)的尺寸降低50%，成本降低一半，并且實現(xiàn)了業(yè)界超高的功率密度和98%的系統(tǒng)效率”，周東寶為此解釋，除了上述集成，TI還在整體上對系統(tǒng)進行熱性能的優(yōu)化，簡化ASIL D合規(guī)性認證，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

“通過使用TI的解決方案，客戶可實現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個動力域的控制器方案的轉(zhuǎn)變。整個系統(tǒng)的復雜程度也會隨著整合級別的增加而提高，對客戶的收益也會越來越高，但同時挑戰(zhàn)也會越來越多。針對這些設計上的挑戰(zhàn)，TI也會協(xié)助客戶一起來解決”，周東寶這樣為記者解釋。

明星單品加持之下的整體方案

周東寶為記者展示了TI其中的一款動力總成集成解決方案，方案中搭載C2000微控制器、最新的GaN FET、隔離驅(qū)動器UCC5870、溫度傳感器TMP126，通過4個產(chǎn)品的有機結(jié)合，不僅在單獨器件上擁有極佳的性能，也實現(xiàn)了整體超高的功率密度和98%的效率，將系統(tǒng)成本和尺寸減半。

根據(jù)他的介紹，C2000能夠提供高達925MIPS的性能，能夠輕松勝任各種復雜電源拓撲和高階的控制算法，從而實現(xiàn)更高PWM系統(tǒng)效率。內(nèi)置豐富的模擬功能模塊，可實現(xiàn)低至30ns以內(nèi)的響應時間。擁有高即時指令集，再結(jié)合氮化鎵和碳化硅器件的高開關頻率和低開關損耗的特征，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個系統(tǒng)的效率，從而也提高了整個系統(tǒng)的功率密度。

GaN FET能以高達2.2MHz的開關頻率進行工作，并保持非常低的開關損耗。TI定制開發(fā)的低寄生電感和增強散熱型的切片式的封裝，可實現(xiàn)兩倍的功率密度的提升，磁性元器件減小59%。其內(nèi)置的數(shù)字溫度的采樣功能可以提供實時的溫度信息，從而可以更靈活地去實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的熱管理，同時內(nèi)置的短路和過流保護的電路可在低至100ns的時間來響應，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。利用該器件相比于現(xiàn)有的硅和基于碳化硅的MOSET方案，預計可使車載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%。

隔離驅(qū)動器UCC5870系列可提供高達15A的峰值電流的驅(qū)動能力，這意味著客戶不再需要額外的功率放大電路。器件可在200ns進行短路保護，共模抑制比做到了業(yè)界領先的150V/ns。其峰值電流能力高達15A，可滿足大多數(shù)MOSET和IGBT驅(qū)動的需求。內(nèi)置六通道隔離采樣ADC，可用于溫度的采集、電壓的采集，幫助客戶減少了額外分立的隔離ADC的成本。同時，還內(nèi)置了超過50多種功能安全相關的機制。

溫度傳感器TMP126可在150°C的環(huán)境溫度下工作，其采樣精度高達±0.3度。越高的溫度傳感器精度，越可幫助客戶在設計整個系統(tǒng)的時留有更小的設計余量。與此同時，在做系統(tǒng)動態(tài)溫度補償時，高精度也有助于最大化提高系統(tǒng)效率。器件可在全溫度范圍下（-40到+175度整個溫度范圍）保持非常高的精度。相比分立產(chǎn)品，溫飄幾乎可以忽略不計。數(shù)字接口內(nèi)置的循環(huán)冗余校驗功能，也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠可靠地進行通訊。產(chǎn)品還可借助超小的引線式SPI溫度傳感器縮減尺寸。

記者認為，TI的動力總成集成中的單器件均為明星單品，正因為擁有整車各方面電源管理IC和單器件實力，才有資格進一步整合整體方案。單器件固有的優(yōu)異屬性不僅能放在體積更小的整體方案中發(fā)揮，分布式方案對于企業(yè)無疑也會增加設計成本、穩(wěn)定性測試成本、安全測試成本等各種隱性成本。

另據(jù)德州儀器EV/HEV SEM團隊成員TüV SüD認證功能安全工程師曹偉杰的解釋，TI會考慮到系統(tǒng)整體的性能要求，而不是單單地把各個芯片簡單地組合到一起。這包括了怎么選拓撲、怎么選控制策略，TI會兼顧整體的EMI、靜態(tài)電流、功率密度、噪聲精度、隔離性能，所有性能參數(shù)。

實際上，汽車電子也存在這種逐漸整合的現(xiàn)象，許多Tier1系統(tǒng)制造商逐漸將這數(shù)百個ECU整合為幾個DCU（域控制器），未來ECU的趨勢就是進一步整合，從分布式變?yōu)榧苫７从^整個電子行業(yè)，其實就是一部微縮化和集成化的簡史。因此，能夠預見TI的動力總成集成必能掀起電源管理IC的新浪潮。

實力廠商的集成化市場拼殺將展開

雖然介紹諸多優(yōu)勢，但實際構(gòu)建這樣的動力總成集成并非易事。曹偉杰坦言，當今汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何滿足排放法規(guī)，同時生產(chǎn)出價格可承受且制造利潤可觀的電動汽車。在此級別進行集成是一個新概念，因此自然可以預見其學習曲線。

他表示，為了使性能最大化，必須仔細設計磁集成。與此同時，集成系統(tǒng)需要高性能的MCU和實時子系統(tǒng)，控制算法將更加復雜。除此之外，還需要一種高效的冷卻系統(tǒng)，以在較小系統(tǒng)中進行散熱。

“功率級整合帶來的復雜性，意味著需要同時集成控制算法以及擁有高性能MCU和實時子系統(tǒng)要求的硬件，這正是TI可以提供給客戶的方案”，曹偉杰如是說。

談及市場方面，曹偉杰認為，半導體公司、整車廠、Tier1還有市場是相輔相成的如果市場變化越來越快，可能以后走向域控制器這樣更高的集成度，對MCU的性能要求會越來越高，隨之而來的是半導體公司必須要提供更強大的MCU。所以，他認為市場的發(fā)展之下，會加速相關產(chǎn)品的上市和推出時間。

而在客戶將TI逐漸導入方案和設計時，曹偉杰認為他們會尋找使電動汽車生產(chǎn)更具盈利性且使購買價格更實惠的方法，這是因為OEM需要遵守全球排放法規(guī)。而動力總成系統(tǒng)是電動汽車中最昂貴的部分，通過結(jié)合關鍵系統(tǒng)，汽車制造商可以整合零件以降低設計成本和重量。除其他優(yōu)點外，更少的零件可使電動汽車輕量化，從而延長行駛里程、降低成本并提高可靠性（易受損的零件更少）。

在合作方面，曹偉杰告訴記者，TI無論是和上游的廠商或者是下游的廠商，會與客戶合作并根據(jù)要求提供合適的解決方案。在提供系統(tǒng)解決方案的過程當中，相應的一些設計或者是控制策略都會有相應的解決。

作為TI的合作伙伴，深圳威邁斯新能源股份有限公司副總裁兼上海子公司總經(jīng)理韓永杰認為，目前新能源汽車明顯圍繞著性能和成本發(fā)展，威邁斯的OBC和DC/DC也采取了控制級和功率級的集成方式，通過與TI的C2000和UCC5870-Q1的深度合作，制造了功率密度大、體積更小、成本下降明顯的產(chǎn)品。

“從未來的趨勢來講，整個動力系統(tǒng)應該是要趨向于集成。目前可能僅在OBC、DC/DC和PDU集成的方案，但從未來發(fā)展來講，實際上還要進一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們在應用這一塊也與TI做深度合作，尤其是C2000和UCC5870驅(qū)動芯片，應用在我們的產(chǎn)品上”，韓永杰這樣說。

通過觀察整個電源管理IC行業(yè)的動作，企業(yè)越來越趨向高度集成化的方案，集成、整合、模塊、系統(tǒng)成為充斥近幾年的關鍵詞。TI作為早在很久以前就提出各種整體方案，彼時就為動力總成集成埋下伏筆，唯有擁有單器件優(yōu)勢和廣闊產(chǎn)品線才有資格進行這種整合。產(chǎn)品的推出勢將拉開汽車電源管理IC的高度集成化發(fā)展的序幕與未來的市場爭端戰(zhàn)。