安森美半導(dǎo)體的高能效汽車(chē)半導(dǎo)體解決方案

汽車(chē)技術(shù)需求

當(dāng)今，隨著人們對(duì)汽車(chē)舒適性等方面要求的提高，車(chē)身電子控制和動(dòng)力性的重要性日益突顯，越來(lái)越多的汽車(chē)開(kāi)始裝備高性能的車(chē)身控制系統(tǒng)和先進(jìn)的管理系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)的增加和升級(jí)為半導(dǎo)體器件的應(yīng)用開(kāi)辟了巨大的空間。過(guò)去幾年配置多而全的做法使得不同車(chē)型的配置高度同質(zhì)化，已不再對(duì)消費(fèi)者有很強(qiáng)吸引力，針對(duì)消費(fèi)者使用習(xí)慣的配置設(shè)計(jì)和搭載才能再次勝出。

隨著西方汽車(chē)市場(chǎng)需求的復(fù)蘇以及發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體車(chē)輛數(shù)目的持續(xù)增長(zhǎng)使燃料消耗和污染不斷增加，政府和制造商都在積極探索改善燃油經(jīng)濟(jì)性以節(jié)約能源、減少排放的途徑，汽車(chē)中越來(lái)越多的電子功能也使半導(dǎo)體元件在車(chē)輛中的比重不斷激增。面對(duì)環(huán)保和豐富消費(fèi)者體驗(yàn)的雙重挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體制造商正在利用其技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)開(kāi)發(fā)各種符合汽車(chē)規(guī)范的解決方案。

但是，面對(duì)環(huán)保和豐富消費(fèi)者體驗(yàn)的需求，以及汽車(chē)器件的最嚴(yán)格規(guī)范，制造商一方面要在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造等方面更加注重可靠性指標(biāo)的認(rèn)證，另一方面也要保證產(chǎn)品在提供更高性能的同時(shí)，符合環(huán)保節(jié)能方面的要求。本文將結(jié)合安森美半導(dǎo)體的汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)，談?wù)勂?chē)車(chē)身及動(dòng)力系統(tǒng)解決方案所采用的各種器件。

汽車(chē)應(yīng)用的挑戰(zhàn)

汽車(chē)電子市場(chǎng)一直是半導(dǎo)體工業(yè)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，今天的汽車(chē)已不再只是一種交通工具，對(duì)安全、舒適和多種功能的需求使電子產(chǎn)品在整車(chē)中的成本比例不斷上升。最近幾年，中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)連續(xù)兩位數(shù)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭更引起了半導(dǎo)體廠商的關(guān)注。

但是，汽車(chē)應(yīng)用使用的器件與普通工業(yè)應(yīng)用要求不同，更加難以滿足。由于汽車(chē)應(yīng)用的特殊性，其中的電子產(chǎn)品對(duì)于整車(chē)的安全和可靠性影響很大，因此對(duì)電子元件制造商來(lái)說(shuō)，一方面要在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造等方面更加注重可靠性等指標(biāo)的認(rèn)證，另一方面也需要供應(yīng)商在零部件的篩選等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，保證配套產(chǎn)品符合可靠性和性能等方面的要求

先進(jìn)的汽車(chē)工藝技術(shù)

汽車(chē)電子設(shè)備的增加使汽車(chē)的各個(gè)部分都無(wú)法避免寄生信號(hào)，甚至可能出現(xiàn)80 VV的峰值，汽車(chē)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須考慮到這一點(diǎn)。用于汽車(chē)的模塊和組件需要能夠承受這種峰值并保證實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能。安森美半導(dǎo)體利用成熟的汽車(chē)技術(shù)能力，開(kāi)發(fā)了一套專(zhuān)門(mén)的高電壓汽車(chē)電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高電壓系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）解決方案，滿足最大電壓和數(shù)字門(mén)集成的要求。

同時(shí)，汽車(chē)中越來(lái)越多的電子含量對(duì)電磁兼容性的要求越來(lái)越高，汽車(chē)制造商也制定了相應(yīng)的性能標(biāo)準(zhǔn)，旨在使車(chē)載網(wǎng)絡(luò)（IVN）應(yīng)用擁有更高的抗ESD脈沖和抗EMI能力。安森美半導(dǎo)體利用創(chuàng)新的I3T50/I3T80技術(shù)提供最佳的一流器件，通過(guò)深溝槽隔離等工藝既實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)功能，又保證了可靠設(shè)計(jì)，降低了芯片上不同單元（cell）結(jié)構(gòu)之間的干擾。

安森美半導(dǎo)體的一系列技術(shù)允許使用高達(dá)100V的電源，有利于元件的集成——包括嵌入式微處理器內(nèi)核。安森美半導(dǎo)體的汽車(chē)ASIC和專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）解決方案廣泛用于動(dòng)力總成（包括環(huán)境溫度≥150℃的高溫應(yīng)用）、安全、車(chē)身、儀表板、IVN、傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。

安森美半導(dǎo)體是汽車(chē)MOSFET市場(chǎng)的主要供應(yīng)商。除了平面MOSFET產(chǎn)品系列，該公司還提供40 V和60 V溝槽MOSFET。溝槽技術(shù)是為低Rds（（on））開(kāi)關(guān)應(yīng)用優(yōu)化的，與平面技術(shù)相比，更適用于線性操作模式。

安森美半導(dǎo)體車(chē)身及便利應(yīng)用解決方案

車(chē)身電子及便利應(yīng)用包括氣候控制、智能接線盒、前照燈調(diào)節(jié)與電源控制、雨刷和光傳感、后視鏡控制、座椅位置/加熱/冷卻、車(chē)門(mén)模塊、方向盤(pán)傳感器等。

這里以車(chē)身暖通空調(diào)（（HVAC）的控制、通信和電源、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)方案、汽車(chē)照明方案以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例介紹。

1. 車(chē)身HVAC的控制、通信和電源

HVAC包括多個(gè)子系統(tǒng)：其一是汽車(chē)加熱及通風(fēng)系統(tǒng)，從外部管道吸入清新空氣進(jìn)入車(chē)廂；進(jìn)入的空氣可以通過(guò)連接引擎冷卻系統(tǒng)的小型發(fā)熱芯來(lái)加熱。其用途是提高乘客的舒適和安全度。其二是空調(diào)制冷系統(tǒng)，將車(chē)內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到不斷循環(huán)的蒸發(fā)和冷凝的外部空氣中，降低空氣的溫度和濕度。其三是控制頭，即帶有用戶界面的ECU（（電子控制單元）。

圖1：HVAC框圖

圖1是HVAC的框圖，圖中綠色的部分都會(huì)用到安森美半導(dǎo)體的各種器件。這些器件包括用于I/O保護(hù)的二極管和整流器；用于收發(fā)器或SBC的接口；用于電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)器（BLDC、BDC）的IGBT/FET和MOSFET；用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載/繼電器驅(qū)動(dòng)器及接口；用于控制面板的雙極晶體管/數(shù)字晶體管（BRT）、接口、模擬開(kāi)關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)邏輯、多路轉(zhuǎn)換器；用于信號(hào)調(diào)理的放大器和比較器、運(yùn)算放大器；用于高端驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載/繼電器驅(qū)動(dòng)器、IGBT/FET和MOSFET；用于電源保護(hù)的二極管和整流器、小信號(hào)開(kāi)關(guān)二極管、齊納二極管、肖特基二極管；用于穩(wěn)壓（線性、開(kāi)關(guān)）的接口、直流-直流（DC-DC）控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器、控制器、線性穩(wěn)壓器；用于監(jiān)控的DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器；以及用于低端驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載/繼電器驅(qū)動(dòng)器、IGBT/FET和MOSFET。

2. 車(chē)身HVAC直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

目前，最流行的翼板執(zhí)行器（flap actuator）是將位置信號(hào)反饋給微控制器的簡(jiǎn)單的直流電機(jī)。為了控制直流電機(jī)的正向和反向，必須使用全橋配置的兩個(gè)高端功率級(jí)和兩個(gè)低端功率級(jí)。通常，這些驅(qū)動(dòng)器集成了所需的功能，如過(guò)壓、過(guò)載和過(guò)溫保護(hù)。此外，SPI接口可以為微控制器提供診斷功能。

集成的脈沖計(jì)數(shù)技術(shù)結(jié)合額外的信號(hào)調(diào)節(jié)塊可以取代分立的位置電位計(jì)器。在脈沖計(jì)數(shù)應(yīng)用中，該電路檢測(cè)直流電機(jī)的換向脈沖，并為每個(gè)檢測(cè)到的換向脈沖創(chuàng)建一個(gè)脈沖。通常這些脈沖要反饋到微控制器進(jìn)行位置檢測(cè)和位置控制。安森美半導(dǎo)體為這類(lèi)電路定制的ASIC已經(jīng)投產(chǎn)。

六路半橋式驅(qū)動(dòng)器NCV7708就是一種靈活的單面高/低端驅(qū)動(dòng)器。其六個(gè)高端和低端通道專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制配置，如半橋或全橋。NCV7708可以通過(guò)一個(gè)16位SPI接口控制5個(gè)直流電機(jī)。該器件還可以控制繼電器或指示燈。圖2是該器件的功能框圖。

圖2：NCV7708功能框圖

三路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7703可以控制兩個(gè)直流電機(jī)。功率級(jí)的內(nèi)部連接作為半橋使用，采用SO-14封裝的器件可有效減少引腳數(shù)量。圖3是該器件的框圖。

圖3：NCV7703功能框圖

3. 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)方案

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)（IVN）應(yīng)用需要盡可能地降低成本及減小占用的空間，同時(shí)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性，因此需要提高元器件的集成度。安森美半導(dǎo)體的IVN器件非常多，包括用于本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）的各種收發(fā)器。例如，安森美半導(dǎo)體的NCV7420集成了線性穩(wěn)壓器及LIN收發(fā)器，有效地節(jié)省PCB板空間，又可為MCU單獨(dú)供電，有效抑制其它模塊對(duì)MCU電源的干擾。

又例如安森美半導(dǎo)體針對(duì)IVN應(yīng)用的單線LIN收發(fā)器AMIS-30600，可以作為協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，特別適合驅(qū)動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中的LIN系統(tǒng)總線，也可用于標(biāo)準(zhǔn)ISO9141系統(tǒng)。為了減少電流消耗，AMIS-30600提供了待機(jī)模式。該收發(fā)器采用I2T100技術(shù)，將高壓模擬電路和數(shù)字功能集成在同一個(gè)芯片上，通過(guò)故障情況的無(wú)限短路保護(hù)功能，為滿足當(dāng)前的IVN要求提供了一種超安全的解決方案。

最近，安森美半導(dǎo)體推出了一款功能豐富的本地LIN收發(fā)器NCV7321。它可在低數(shù)據(jù)率IVN應(yīng)用中作為L(zhǎng)IN協(xié)議控制器與物理總線之間的接口。NCV7321具備極佳的電磁兼容性（EMC），以及高達(dá)13 kV的強(qiáng)固系統(tǒng)級(jí)靜電放電（ESD）性能，不需要外部ESD元件，功耗也更低，非常適合汽車(chē)應(yīng)用的嚴(yán)苛環(huán)境。

NCV7321采用安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的I3T技術(shù)及智能電源技術(shù)，使高壓及敏感的數(shù)字技術(shù)能夠共存于同一芯片。它符合LINv2.1和J2602規(guī)范，具備與AMIS-30600相同的功能，但引腳輸出不同，為客戶提供了符合現(xiàn)有LIN收發(fā)器的替代產(chǎn)品。該器件采用高密度、節(jié)省空間的SOIC-8封裝，典型應(yīng)用包括多種車(chē)身電子功能和舒適功能應(yīng)用，如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)鎖接收器、車(chē)窗和遮陽(yáng)罩升降器、報(bào)警器、電動(dòng)視鏡及座椅調(diào)節(jié)器，以及電子轉(zhuǎn)向鎖和輪胎監(jiān)測(cè)電子控制單元（ECU）等其它功能。

NCV7321的突出特點(diǎn)是最大限度滿足了汽車(chē)的省電目標(biāo)，休眠模式下的電流消耗僅為10 ?A。其它關(guān)鍵特性包括熱關(guān)閉、模糊短路保護(hù)及45 V負(fù)載突降保護(hù)。圖2顯示了基于NCV7321 LIN收發(fā)器的典型電路。值得一提的是，該器件支持-45 V至45 V的電壓范圍，可承受額定5 kV的ESD脈沖，提供了強(qiáng)大的保護(hù)功能。

4.汽車(chē)照明方案

NCV7608具有最大的靈活性，可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的電機(jī)及各種負(fù)載，如燈泡、發(fā)光二極管和繼電器。NCV7608有一個(gè)可防止LED發(fā)光的特殊診斷電流禁用位，以及標(biāo)準(zhǔn)的診斷功能。圖4是NCV7608的功能框圖。

圖4：具備最大靈活性的NCV7608

該器件是一款8路可配置低端/高端驅(qū)動(dòng)器，采用高密度SOIC-28W封裝，能夠在-40℃至+150℃的結(jié)溫下工作。NCV7608具有3.15 V至5.25 V的寬輸入電壓范圍，并具有8路完全獨(dú)立的輸出驅(qū)動(dòng)器，能夠任意配置為高端、低端或半橋配置組合，為需要驅(qū)動(dòng)大量負(fù)載的設(shè)計(jì)人員提供極靈活的方案。

該器件通過(guò)集成的標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口執(zhí)行所有輸出段的數(shù)字控制，這種功能還能獲取診斷故障信息。此外，4個(gè)通道能利用外部控制輸入引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）控制。該器件在25℃時(shí)的典型導(dǎo)通阻抗（RDSON）僅為1.2 Ω，能大幅延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

規(guī)范完備的NCV7608還提供正/負(fù)瞬態(tài)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)功能。其集成鉗位電路（在高端及低端工作模式下）確保過(guò)溫保護(hù)及欠壓鎖定。利用NCV7608可以支持單極和雙極步進(jìn)電機(jī)控制，如圖5所示。

圖5：用NCV7608支持單極和雙極步進(jìn)電機(jī)控制

其汽車(chē)照明用集成線性電流穩(wěn)流及控制器NCV7680可以單芯片為組合尾燈供電，提供更佳的性能和更高的能效，且占位面積比市場(chǎng)上的方案更小。該器件包含8個(gè)線性可編程恒流源，適用于汽車(chē)固態(tài)組合尾燈（RCL）的穩(wěn)流和控制，支持高達(dá)每通道75 mA的發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電流。

NCV7680集成了眾多功能，支持兩個(gè)亮度等級(jí)，一級(jí)用于停車(chē)，另一級(jí)用于尾部照明。如果需要，也可使用可選的脈寬調(diào)制（PWM）控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需使用一個(gè)外部電阻設(shè)定輸出電流（整體設(shè)定點(diǎn)）。另外，針對(duì)要求大電流的設(shè)計(jì)，可選的外部鎮(zhèn)流器場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可以根據(jù)設(shè)計(jì)所需的高電流進(jìn)行功率分配。延遲的功率極限降低了在過(guò)電壓狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)電流。這對(duì)于沒(méi)有外部FET的低電流應(yīng)用來(lái)說(shuō)十分重要。

安森美半導(dǎo)體動(dòng)力系統(tǒng)解決方案

動(dòng)力總成包括傳輸控制和位置檢測(cè)、引擎控制、油門(mén)控制、油位檢測(cè)、空氣流量監(jiān)測(cè)、氣門(mén)控制、燃油噴射控制等。這里介紹的是安森美半導(dǎo)體的引擎管理和燃油噴射系統(tǒng)解決方案。

1.引擎管理及動(dòng)力總成方案

目前，全球大約有80％的引擎是汽油引擎。汽油引擎都采用直接噴射和渦輪增壓，以提高簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)型引擎的效率。汽油引擎未來(lái)仍是世界各地的主導(dǎo)力量，不過(guò)柴油引擎在歐洲已大約達(dá)到40％的普及度，并在北美地區(qū)也有增長(zhǎng)的潛力。

汽車(chē)電子器件有助于通過(guò)引擎的控制、檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率。精心控制的關(guān)鍵部件（如噴油器和氣門(mén)）可達(dá)到最高效率。為了提高控制能力，需要對(duì)燃燒室壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和處理，可減少汽油引擎30％的燃料消耗。

安森美半導(dǎo)體為汽油引擎、雙燃料/彈性燃料（bi/flexfuel）和柴油引擎開(kāi)發(fā)了各種定制和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，范圍覆蓋從點(diǎn)火控制的供氣和供油到排氣后處理子系統(tǒng)的眾多應(yīng)用。這些產(chǎn)品組合包括：電感式角度傳感器接口、壓力傳感器接口、爆震和輪速檢測(cè)電路、油/尿素流（urea-flow）和氣流接口、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)組件、油門(mén)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器和前置驅(qū)動(dòng)器、電磁和壓電燃料噴射系統(tǒng)、火花點(diǎn)火、風(fēng)機(jī)、泵和液壓控制。圖6是汽油引擎管理系統(tǒng)的框圖。此外，安森美半導(dǎo)體還提供柴油引擎管理系統(tǒng)，以滿足柴油引擎在歐洲和北美地區(qū)持續(xù)增加的需求。

圖6：汽油引擎管理系統(tǒng)

2. 燃油噴射系統(tǒng)解決方案

燃油噴射系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量每個(gè)氣缸的燃料數(shù)量和時(shí)序。完全集成的多點(diǎn)（MPI）汽油引擎管理系統(tǒng)仍然是目前最流行的解決方案。為滿足強(qiáng)勁增長(zhǎng)的汽油直噴（GDI）系統(tǒng)的新需求，安森美半導(dǎo)體還推出了動(dòng)力總成方案，涵蓋了傳輸控制和位置檢測(cè)、引擎控制、油門(mén)控制、油位傳感器、空氣流量監(jiān)測(cè)、氣門(mén)控制、燃油噴射控制等應(yīng)用。

半導(dǎo)體器件有助于通過(guò)引擎的控制、檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率。精心控制的關(guān)鍵部件（如噴油器和氣門(mén)）可達(dá)到最高效率。為了提高控制能力，需要對(duì)燃燒室壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和處理，可減少汽油引擎30％的燃料消耗。

總結(jié)

身為全球領(lǐng)先的高性能、高可靠性硅解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體制定了完整的汽車(chē)解決方案戰(zhàn)略 。除了用于車(chē)身和動(dòng)力系統(tǒng)，安森美半導(dǎo)體采用先進(jìn)汽車(chē)工藝技術(shù)的各種汽車(chē)應(yīng)用產(chǎn)品，還可以用于汽車(chē)電子的其他部分，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能。這些器件包括：集成了關(guān)鍵系統(tǒng)元件的系統(tǒng)級(jí)芯片可提高系統(tǒng)可靠性，降低能耗，節(jié)省電路板空間；極低靜態(tài)電流和寬線性穩(wěn)壓能力的線性穩(wěn)壓器具備短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)；采用自保護(hù)MOSFET的集成電路可取代繼電器和保險(xiǎn)絲驅(qū)動(dòng)電磁線圈和燈；消除反向恢復(fù)振蕩的高壓整流器可提供低正向壓降，提高效率；有瞬態(tài)電壓保護(hù)功能的高可靠電子模塊可實(shí)現(xiàn)I/O和傳感器、負(fù)載突降、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線和負(fù)載開(kāi)關(guān)等保護(hù)。此外，安森美半導(dǎo)體還提供各種汽車(chē)級(jí)運(yùn)算放大器和比較器、可靠的電機(jī)和機(jī)電繼電器驅(qū)動(dòng)集成電路及插座、采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS/低電壓CMOS工藝的穩(wěn)固的標(biāo)準(zhǔn)邏輯系列。旨在為越來(lái)越多的汽車(chē)客戶提供基于ASIC、ASSP和分立式元件的全面解決方案，幫助客戶實(shí)現(xiàn)車(chē)身、HVAC、動(dòng)力系統(tǒng)、安全、信息娛樂(lè)和LED照明的節(jié)能應(yīng)用。為了支持中國(guó)這個(gè)全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)，安森美半導(dǎo)體還在上海設(shè)立了汽車(chē)解決方案工程中心，通過(guò)本地專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持深入了解和解決客戶的問(wèn)題，提供參考設(shè)計(jì)和演示板，幫助客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本和性能，推動(dòng)中國(guó)新汽車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

所有這些集成電路和分立器件均符合汽車(chē)可靠性和溫度等規(guī)范和環(huán)保要求，同時(shí)可以滿足人們對(duì)汽車(chē)舒適性等方面越來(lái)越高的要求。