厂商谈汽车半导体技术趋势之模拟器件

模拟器件

　　5.1 开关电容器充电泵稳压器受关注

　　凌力尔特公司电源管理产品副总裁Don Paulus：预计至少在未来的几年时间，模拟器件增速将高于行业的整体水平。这是由于电子装置取代了传统的机电和液压系统，因此一部标准的中型车辆如今包含了 100 多个处理器和几十台电机。车辆中分布式系统和诊断功能的激增对数字通信提出了更高的要求，这反过来又推动了数据速率的提高以及数字收发器需求量的增加。

　　历史上，线性稳压器一直用于数字处理器、收发器和相关组件提供稳压的电源。但是随着功率需求的增加，使用线性稳压器带来的问题越来越多。线性稳压器是简单和低成本器件，其具有非常紧凑和易于设计的应用电路。不过，当用于把汽车电池电压转换为数字组件所需的低电压时，此类稳压器的效率低下。

对于系统设计师而言，一种替代方案是用开关模式 DC/DC 转换器来取代线性稳压器。开关电源具有很高的效率，但也带来了其特有的难题，包括电感器的选择和供应、环路补偿和降低辐射 EMI、以及解决方案相对复杂和占板面积较大等。

　　传统线性稳压器应用的第二种替代方案是开关电容器充电泵稳压器。此类组件既拥有线性稳压器解决方案紧凑和简单易用的优点，同时又缩小了线性稳压器与开关稳压器之间的效率差距。凌力尔特提供了一个非常适合于这类应用的高电压充电泵稳压器系列。例如：LTC3255 可采用一个范围为 4V~48V 的输入电压提供高达 50mA 的负载电流，故障保护范围则为 -52V 至 60V。其无负载静态电流仅为 20µA。从 12Vin 至 5Vout 转换的效率高于 80%，而从 12V 至 3.3V 转换的效率则为 55%，产生的功率损耗仅为线性稳压器的大约 50%。与线性稳压器不同的是，充电泵亦可用于负输出和降压-升压型应用。

　　5.2 48V系统带来新的机会

　　Intersil公司精密产品副总裁Phillip Chesley：电源管理领域随着汽车采用新48V系统而产生新的机会。汽车电子向48V的升级需要可靠且兼顾性价比的解决方案，这其中对技术水平要求之高，对半导体厂商而言确实是个非常大的挑战。目前仅有极少供应商能够提供60V汽车级的解决方案，以提供支持48V标准所需的设计裕量。因为标准高压工艺的输出电压精度和纹波并不支持混合信号器件，如精密转换器和放大器，所以许多供应商都在开发能够在高压工艺中经济地提供所需精度的技术。

　　需要强调的是，对于汽车电子系统而言，对电源效率的要求同样是必不可少的。例如，Intersil通过创新电源解决方案使HEV(混合动力系统)和pHEV(插电式混合动力)的效率提升了10%(通过监测和平衡电池芯电压的精度至2.3 mV)。该项数据的提升在实际应用中的体现，意味着驾驶距离可从100英里增加到110英里。再以电池组的寿命为例，电池组的保修期通常为10年，10%的效率提升意味着其寿命可延长一年。

　　汽车电子系统未来将有三大发展趋势：首先，最令人激动的是电源管理领域随着汽车采用新48V系统而产生新的机会;其次，安全及驾驶员辅助功能的需求，为信息娱乐系统的增长注入了新的动力。例如美国最近出台了要求汽车配备后视摄像功能的规定等，而且世界其他地区也有类似法规正在制定之中，我们确信它将在全球范围内成为中高端汽车的标准配置;第三，动力传动系统的电气化趋势，这将是为Intersil带来长期增长的另一个重要需求。

　　电源技术领域的进步已使得混合动力汽车更加向市场主流靠拢。电池技术的演变一直是其中一个重要因素。虽然传统铅酸电池仍然被用于汽车电子系统为了支持面向‘轻’负载的12V网络所采用。但在可见的未来，可提供48V电压的锂离子电池将成为汽车电子更可靠的电源来用，用以支持包括制动在内的诸多重要功能性系统。除有更多电量外，锂离子电池还有较高的能量密度，而且重量轻。在制动系统中，这意味着它们更适合于在制动器使汽车减速时进行能量收集。

　　灵活性对于与我们合作的OEM厂商同样非常重要。不断变化的电源要求和标准给汽车OEM厂商及其负责设计电源系统的合作伙伴制造了越来越多的难题。开发一种设计并将其重复、兼顾、可靠的用于各种电源系统负载以及支持12V、24V和48V要求的能力可大幅缩短研发周期、显著降低成本。为此，Intersil专门开发了一种高集成度、多用途降压转移器，专用于帮助实现从高压主轨(通常为12V、24V或48V)向低压辅轨(通常为3.3V、5.0V或12V)的轻松转换。其集成式峰值电流模式同步PWM控制器和集成式高边及低边FET驱动器进一步提升效率。

　　5.3 半导体配合汽车电子的关键趋势

　　安森美半导体中国区应用工程总监吴志民：半导体技术不断配合汽车电子的关键趋势。例如安森美半导体配合整车厂在新车型中应用自动“启动/停止”(Start/Stop)功能，当汽车因为堵车或等红灯而停下来时，这种创新的系统自动关闭发动机(熄火);而当驾驶人的脚从刹车踏板移向油门踏板时，就自动重新启动发动机(点火)。这就帮助降低不必要的油耗，降低排放。

　　又如，LED已经广泛应用于汽车外部及内部的照明。由于LED尺寸小，能够配合美观别致的前照灯系统外观造型设计，还能帮助提升汽车的主动安全性。例如，基于LED的自适应前照灯系统(AFS)可以改善夜间转弯照明。

　　汽车应用也需要优化发动机及变速箱控制，采用更加优化的传感器及传感器接口，以及用于车载网络的LIN、CAN和FlexRay收发器等。

　　由于汽车应用环境空间受限，同时也面对高温等问题，用于汽车应用的半导体需要提升集成度，采用小巧及更高热效率的封装，减小占位面积，并提升耐高温工作能力。如应用于汽车发动机点火模块的IGBT，要求减小尺寸，提升长期可靠性及提高保护等级等。

　　5.4 DC/DC转换器和充电器等多种电源集成

　　国际整流器公司(IR)技术市场和销售执行总监Marc LeGrain：汽车电子技术最为重要的课题之一便是电池电压从12V(目前的铅酸电池)提升到48V和400V(锂离子电池)。这种变化要求将汽中车的DC/DC转换器和充电器等多种电源进行集成。

　　为了解决电池板网电压提升的问题，IR特别针对汽车应用等产品，开发出像IGBT这样可以耐受最高1200V的击穿电压的半导体。逆变器要求优化的IGBT技术，它将导通和开关损耗以及短路性能进行折中，而转换器正在采用超快速的IGBT，可以允许最高达200kHz的开关频率，以降低滤波的成本和占位面积。

　　电子产品供应商也在努力开发创新型技术，提高电流密度，以实现电动机械环境中的电子产品的集成，因此，那些要求线缆和连接器的单个的电子模块将被取代。这些开发大大缩减了系统成本和尺寸。在最近的几个季度，出现了大量的封装创新，用以提高功率密度和缩减系统尺寸。

　　5.5 IGBT和MOSFET的重要性

　　飞兆半导体资深技术专家兼技术市场工程师Gary Wagner：功率电子将在汽车应用中发挥更多重要的作用。由于汽车制造商需要设计对环境影响更小、更高效的车辆，将汽车系统电气化变得必不可少。分立功率技术比如有更出色短路保护性能、擎住效应抵抗力更强、更低饱和压降的场截止沟道IGBT，以及低导通损耗、增强的开关性能的超结MOSFET技术将使这些电气系统得以推广。另外的趋势是对电源管理和包括诊断能力在内的控制功能的整合，以及功耗和整体尺寸减小。

        具有低导通损耗且能以更高频率工作的坚固耐用的IGBT和MOSFET技术非常重要。IGBT的发展趋势是朝更高的开关速度、更低的饱和压降、更强的抗短路能力方向发展;MOSFET的发展趋势需要有更低的导通电阻和更高的开关速度。同时，栅极驱动IC与新创的分立功率器件技术控制需求一起发展，让系统设计者能充分利用功率器件增强的开关特性。封装趋势包括使用模块集成分立功率器件、附加的控制和诊断电路，从而缩短设计周期，提高系统效率，减少尺寸，提高散热性能。

　　Fairchild关注内燃机点火系统中的IGBT，以及辅助电气系统里对三相电机进行控制的功率模块等若干领域。