安森美半导体高效节能汽车电子方案配合发展趋势

近年来，在市场增长和消费者购车习惯转变的推动下，汽车制造商越来越趋向于采用更复杂的电子元器件来增加新的舒适/使得功能，同时致力于节能减排以配合更严格排放法规需求。身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，安森美半导体积极推出强固及创新的高能效汽车解决方案，减少废气排放，提高燃油经济性、增强动力系统、照明、安全、车载网络和信息娱乐系统的性能和可靠性。
   
   汽车电子发展趋势
   从总体上看，平均每辆汽车中的半导体成分在增高。其中北美、欧洲和日韩等传统汽车市场的平均每辆汽车半导体成分是中国汽车的2倍，另一方面，这也显示出中国等新兴市场的汽车电子发展空间非常广阔。
   
   在各类汽车应用市场中，动力系统、信息娱乐系统等尤为引人注目。其中，在汽车动力系统方面，目前存在由相同目标推动的两个重要趋势：高能效及更清洁的汽车。世界各国政府机构正在推动相关提案及法规，迫使汽车OEM设法减少燃油消耗及废气(二氧化碳、NOx等)排放。工程师们需要极具创意，使内燃发动机(ICE)汽车提供更佳的燃油经济性；让新一代混合动力及电动汽车更加节能。
   
   上述趋势有赖于电子电路来配合开发更清洁及更高能效的汽车。从半导体的角度看，标准内燃发动机汽车与混合动力汽车的动力系统估计的半导体成分之比为1:5。从内燃发动机转向使用电动机将提升汽车的燃油经济性，因为汽车将使用电力来驱动。由于石油价格及高性价比电池技术及基础设施的就绪等因素，预计约在2025年汽车内燃发动机将大规模转向电动机。
   
   与此同时，内燃发动机汽车将继续提升能效，但一键启动/停止交流发电机系统、更智能的喷射驱动器IC等某些附加技术将有赖于更精确的传感器信号和汽车工程师更深入的系统专长。发动机尺寸的减小将以更智能的涡轮增压技术予以补偿。最终，部分或完全混合设计的汽车将帮助提升加速时的发动机能效，以电动力替代通常相当耗油的热动力。
   
   车载信息娱乐应用方面的挑战是整车企业必须考虑如何将更多的软件和硬件内嵌到汽车之内，把汽车变成一个新的移动设备；还要用集成实现最小化，集中精力实现的汽车与其他设备之间的最好联通，如手机、智能电话以及其他的消费电子设备。而且对于车载信息娱乐系统而言，集成的功能越来越多，如可能包括导航系统、AM/FM收音机和CD/DVD播放、卫星广播等，使系统的复杂度越来越高，且对电源的要求也在提高。例如，汽车信息娱乐系统电源既要求低电流--为微控制器(MCU)及传感器供电(5 V、3.3 V，电流10～100 mA)，也需要大电流--为高性能处理器(DSP)及USB供电(5 V、3.3 V、1.2 V，电流0～3 A)；而LED背光需要电压12 V、电流低于1 A供电，其它设备(天线、风扇、电机、VFD显示屏驱动等)还有其它电压要求。
   
     
   安森美半导体配合新趋势的动力控制及车载娱乐解决方案
   
   1. 动力控制方案
   FlexRay™是车载网络(IVN)应用快速兴起的一项标准，正在替代当前基于控制器区域网络(CAN)及本地互连网络(LIN)的系统，数据传输速率提升了一个数量级，而且可靠性更高，使下一代汽车能够应用更先进的安全、动力系统及舒适机制。
   
   安森美半导体扩充了汽车网络产品阵容，推出了一款符合业界最新采用的FlexRay™ 通信协议的总线收发器IC--NCV7381。该器件是一款极强固的单通道器件，能够提供高达10 Mbps的数据传输速率。这新器件完全遵从FlexRay™电气物理层规范3.0.1版，在有线FlexRay™通信介质及协定控制器/主机之间提供差分传送及接收能力。NCV7381的模式控制功能经过了优化，用于持续连接至汽车电池的节点。这器件提供低能耗工作及配合远程唤醒检测的低能耗模式接收器。NCV7381能够采用5.5伏(V)至50 V电池供电电压工作，可以集成在12 V及24 V汽车电源系统中。它在完整频率范围内提供优异的电磁耐受性(EMS)性能。
   
   图1：NCV7381典型应用电路图。
   
   此外，多年来，安森美半导体已成为汽车点火领域公认的领先供应商，可提供强固及可靠的绝缘门双极晶体管(IGBT)系列。为了持续加强该系列器件的性能，安森美半导体新近推出的第三代点火IGBT--NGB15N41A性能极佳，而且尺寸更小。随着最新收购而添增的三洋半导体分部，安森美半导体用于点火应用的IGBT阵容进一步扩大。除了已有的系列IGBT器件，公司还在规划一款用于点火应用的高集成度器件。该产品将IGBT功率器件与控制器集成在单个封装中，可以用于笔形线圈点火应用。
   
   此外，安森美半导体还将推出能够在动力系统应用中驱动泵、散热风扇或节气阀的系列无刷直流(BLDC)电机驱动器(LV9901)，还有将控制器和电源段集成在单个功率封装中(某种微型模块)的模块化封装系列。今年5月，安森美半导体在欧洲的PCIM展会上展示了智能功率模块(IPM)。结合公司的绝缘金属基板技术(IMST)与宽广的电源方案系列，以及在高能效电源管理的悠久专长和技术，安森美半导体提供创新的智能功率模块系列和电源变频器以及设计支持和制造能力。这些IPM方案性价比高，能够用于太阳能供电及电动汽车等应用。
   
   安森美半导体提供300 W至5 kW功率范围的宽广阵容高能效功率模块，可配合广泛的客户应用，包括变频器、升压驱动器及电机驱动器。客户采用集成了多种内置特性及智能功能的紧凑设计及小巧尺寸，能够简化设计，节省电路板空间，提升可靠性，同时减少其终端产品的元器件数量和总成本。
   
   2. 信息娱乐系统方案
   安森美半导体提供各种应用于信息娱乐系统电源的产品，概括起来主要有以下几类。一类是线性稳压器(LDO)，用于电池及后级稳压，具有标准/低静态电流、高电源抑制比(PSRR)/超低静态电流，以及跟踪器和电流检测功能；第二类是丰富的开关电源(SMPS)产品，用于降压及升压控制器/稳压器，采用同步/非同步拓扑结构，提供高频、低静态电流和电池及后级稳压；第三类是电源管理单元(PMU)，以更高集成度优化了尺寸/性能。这些产品都符合下一代尺寸及能效要求。
   
   例如，安森美半导体新推的两款低压降稳压器(LDO)IC--NCV47700和NCV47701非常适合汽车音响及信息娱乐系统、仪表盘、导航及卫星广播等应用。这些器件包含输出诊断引脚CSO，可以用于检测负载开路及短路事件。两款器件使用1颗电阻来连接CSO引脚，提供介于10 mA与350 mA之间的可调节输出电流电平，且精确度达±10%。
   
   安森美半导体还推出了新系列开关稳压稳压器，包括NCV890100、NCV890101、NCV890130、NCV890131、NCV890200、NCV890201及NCV890231等，用于空间受限、对电磁兼容性(EMC)敏感的汽车娱乐及信息娱乐应用。这些高集成度器件为连接电池的开关电源提供了业界领先的转换比。每款器件均包含内部电源开关，采用2 MHz频率工作。高达2 MHz的开关频率支持在输入及输出滤波器中使用尺寸更小、成本更低的电感及电容。
   
   图2：NCP890201产品应用示意图。
   
   除了信息娱乐系统电源方案，安森美半导体还能为信息娱乐系统市场提供音频数字信号处理器(DSP)、CD DSP、模拟及数字调谐器、无线数据广播系统(RDS)接收器、A/B类放大器及小尺寸LCD显示屏驱动器等元器件。
   
   引领新能源汽车趋势
   虽然电动汽车面对着经济性方面的电池价格、技术性方面的电池化学特性不够稳定，以及人们每天平均驾驶里程的自主度等方面的挑战，但转向使用电动机的电动汽车是一个必然的趋势。
   
   从半导体角度来看，能够支持更高电压(250至400 V电池电压而非12/24 V)及更大电流元器件的电源将是一个很大的挑战。市场上符合汽车标准的功率元器件供应商数量并不太多。如今使用的大多数元器件来自于工业或白色家电等其它行业，在技术上并未针对汽车行业应用进行完全优化，价格方面亦然。
   
   安森美半导体正在开发新系列的专用IGBT和MOSFET，以符合这一市场的严格要求。安森美半导体的绝缘金属底板技术(IMST)能力能够应对上述挑战，将多个功率元器件集成到更小及更高热效率的封装(多芯片功率模块)中，以新技术帮助业界转向电动汽车领域。
   
   除了用于主电动机的高压DC-DC转换器的挑战外以外，另一挑战在于开发用于电动助力转向(EPS)、汽车空调(HVAC)及泵等某些电动化应用的专用元器件。安森美半导体也在开发新的元器件和电源稳压器，旨在将这些模块用于高压网络。
   而电动汽车充电电池方面迄今仍没有标准，多家公司在提供电池监控/电池单元均衡IC。安森美半导体决定开发用于这类应用的知识产权(IP)，以及专门电池架构的专用元器件，为OEM和关键客户提供ASIC服务。
   
   中国的“十二五”规划将新能源汽车列为七大领域的重点发展方向。毫无疑问，中国汽车厂商和国外厂商一样面对着汽车相关标准不断细化、严格化的挑战。安森美半导体积极服务中国市场，为中国本地关键客户及OEM提供技术应用支持。目前，安森美半导体的上海汽车解决方案工程中心拥有10名应用支援专家，并在华北(长春)和深圳设有技术办事处。
   
   我们已见汽车电子相关标准体现在汽车排放、油耗等方面，但如今也看到诸多安全(翻滚测试、碰撞测试、刹车距离等)方面的标准。还有一些适用于半导体器件的标准。AECQ100就是其中最着名的一项标准，此外还有TS16949，都是汽车半导体公司必须遵循的标准。安森美半导体遵从所有这些标准，甚至致力于超越零事故的终极目标(即汽车因电子电路损坏而造成的汽车返修率为零)。
   
   西方汽车制造商已经决定引入与电子功能安全相关的新安全标准(ISO26262)。这标准将影响整个汽车行业。半导体行业也将必须适应此标准。安森美半导体已经在新产品开发中立即遵从此标准，并调配资源及开发方法来达到此要求。
   
   因此，问题不在于“怎样面对汽车电子相关标准的不断细化、严格化的挑战”，而是在于“怎样开发以符合甚至超越使用电子及半导体技术的安全、生态及驾驶动力方面的汽车性能要求”。
   
   总结
   汽车制造商越来越趋向于以更先进的电子元器件实现新功能或加强功能，以提高品牌声誉和竞争差异性，让消费者体验更安全和舒适，他们因而要在汽车中采用更先进的电子元器件。安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，正在利用不断推出的新产品，帮助汽车制造商改进汽车动力系统、照明及电源/电源管理(含车载信息娱乐系统)应用，符合更高的质量标准，推动新能源汽车的发展，减少污染，节省能源。