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壓器受關注

　　凌力爾特公司電源管理產品副總裁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的整體水平。這是由于電子裝置取代了傳統的機電和液壓系統，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。車輛中分布式系統和診斷功能的激增對數字通信提出了更高的要求，這反過來又推動了數據速率的提高以及數字收發器需求量的增加。

　　歷史上，線性穩壓器一直用于數字處理器、收發器和相關組件提供穩壓的電源。但是隨著功率需求的增加，使用線性穩壓器帶來的問題越來越多。線性穩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字組件所需的低電壓時，此類穩壓器的效率低下。

對于系統設計師而言，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。

　　傳統線性穩壓器應用的第二種替代方案是開關電容器充電泵穩壓器。此類組件既擁有線性穩壓器解決方案緊湊和簡單易用的優點，同時又縮小了線性穩壓器與開關穩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%，產生的功率損耗僅為線性穩壓器的大約 50%。與線性穩壓器不同的是，充電泵亦可用于負輸出和降壓-升壓型應用。

　　5.2 48V系統帶來新的機會

　　Intersil公司精密產品副總裁Phillip Chesley：電源管理領域隨著汽車采用新48V系統而產生新的機會。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。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能夠在高壓工藝中經濟地提供所需精度的技術。

　　需要強調的是，對于汽車電子系統而言，對電源效率的要求同樣是必不可少的。例如，Intersil通過創新電源解決方案使HEV(混合動力系統)和pHEV(插電式混合動力)的效率提升了10%(通過監測和平衡電池芯電壓的精度至2.3 mV)。該項數據的提升在實際應用中的體現，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。

　　汽車電子系統未來將有三大發展趨勢：首先，最令人激動的是電源管理領域隨著汽車采用新48V系統而產生新的機會;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定等，而且世界其他地區也有類似法規正在制定之中，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。雖然傳統鉛酸電池仍然被用于汽車電子系統為了支持面向‘輕’負載的12V網絡所采用。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。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的合作伙伴制造了越來越多的難題。開發一種設計并將其重復、兼顧、可靠的用于各種電源系統負載以及支持12V、24V和48V要求的能力可大幅縮短研發周期、顯著降低成本。為此，Intersil專門開發了一種高集成度、多用途降壓轉移器，專用于幫助實現從高壓主軌(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應用工程總監吳志民：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，這種創新的系統自動關閉發動機(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(AFS)可以改善夜間轉彎照明。

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

　　由于汽車應用環境空間受限，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)技術市場和銷售執行總監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。

　　為了解決電池板網電壓提升的問題，IR特別針對汽車應用等產品，開發出像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。

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

　　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揮更多重要的作用。由于汽車制造商需要設計對環境影響更小、更高效的車輛，將汽車系統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展;MOSFET的發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與新創的分立功率器件技術控制需求一起發展，讓系統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，提高系統效率，減少尺寸，提高散熱性能。

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