汽车电子和电源管理IC都在增强集成化

2020-11-24 09:15

纵观半导体行业的2020年,出现最多的关键词是什么?集成、整合、模块、系统……

笔者曾参加数十个电源管理芯片企业相关发布会和访谈,每次的灵魂拷问中,都会谈及分立器件和模块器件的关系。大多数受访人均会毫不犹豫地说两者是会并存的,并且毫不冲突。但提供模块化产品显然在功率密度、体积更具优势,模块化产品也可为客户提供一个可直接使用的产品,从而减少设计时间、提高可靠性。

实际上,电源管理芯片无论是第三代半导体材料还是传统器件,在笔者看来,从完整的解决方案出发,无论从功耗、成本、尺寸上来讲,还是系统的精简方面来讲,完整的解决方案远比单器件更加出色。

在汽车产业惊人发展之下,汽车的电源管理IC芯片亦如此。日前,MPS与21ic中国电子网记者道出了对汽车行业的理解和汽车电源管理IC发展的看法。

汽车电子在增强集成化

经过多年的发展,汽车早已不是放上发动机和四个轮子的简单物件,根据各大机构预测,电子化产品将占汽车总成本的二分之一,每辆车预计将会有20倍的半导体需求,电动车和混合动力汽车年销售市场份额预估增长20%。

除了电动和混动,现在的汽车拥有了无数辅助驾驶的技术,诸如自动泊车、碰撞警告、主动刹车、ACC自适应巡航、VSA车联网检查、ISA电子警察系统、TMC实时交通系统、360环视、并线辅助、LDWS车道偏移警告系统、HMW车距检测及警告、FCWS前车防撞预警系统、PED行人检测、车道保持系统……

MPS全球汽车总监Allen Chen为记者介绍,网络时代下汽车将会与驾驶人员、车联网、软件互动,这便是汽车的发展趋势“ACES”,解释起来就是自动化(Autonomous Driving)、互联化(Connectivity)、电气化(Electrification)、服务化(Service)。

实际上,如此众多功能加身的汽车,也将成为计算的“大户”,掌控着传感器、总线数据采集和交换以及代码执行的“总司令”就是ECU(Electronic Control Unit)。但在高速发展之下,车内ECU数量逐渐变为数十个到上百个。

Allen Chen表示,如此分散的ECU会为汽车设计带来问题,各自为阵的ECU需要很强的中央进行协调,这无疑增加了汽车走线的复杂性,为制造带来了成本。这种扁平化和点对点的模式也为单一功能升级带来了困难。

因此,未来ECU的趋势就是进一步整合,从分布式变为集成化。许多Tier1系统制造商逐渐将这数百个ECU整合为几个DCU(域控制器)。

汽车电源IC也将具集成化和整体化

半导体在汽车产业链中充当什么角色?Allen Chen认为,OEM汽车厂商越来越依赖Tier2半导体零部件制造商,这是因为OEM需要半导体厂商直接提供所需功能,以便更早接触先进技术,同时更早提供可靠性测试结果以便将下一代产品推向市场。

“MPS不仅仅着眼于单个IC的精雕细刻,现在采用更多的是“Power Subsystem”的模式,即电源子系统的设计。” 换言之,MPS在汽车电子产品上不仅拥有极佳的集成化单IC产品,还拥有更加符合未来发展的整体化方案。Allen Chen为记者展示了几款印证了MPS汽车电子战略的解决方案:

1、高度集成的数字升降压变换器

根据Allen Chen的介绍,MPQ88XX- AEC1是最新推出的汽车产品,这是一款高度集成的30W数字升降压(Buck-Boost)变换器,使用最新的第六代MPS BCD工艺技术,为4mm x 5mm Flip-Chip(倒装)QFN封装。

与竞品相比,拥有5倍功率密度,降低了75%布板面积,减少了50%外部元器件,可节约30%的设计时间。据Allen Chen介绍,这款产品已和很多汽车制造商深入合作,很快这款产品就会面世。

2、整体化汽车电源方案

“为了满足可扩展性这一个重要需求,MPS汽车解决方案将整体目标定位在整个系列而不是单个产品上”,Allen Chen用MPQ4436作为范例为记者介绍。

MPQ4436采用并联解决方案,,客户可以采用1路输出,双路输出,3路输出,4路输出各种供电方式。

利用这种并联的整体化方案,可在小尺寸情况下提高功率密度。另外,4片MPQ4436的散热面积使得PCB拥散热面积更广;单片MPQ4436都针对性进行了EMC电磁兼容优化,EMC性能更优;并联设计对于系统的兼容新更强,不同平台客户都可随心所欲设计使用。

3、电源子系统设计

Allen Chen为记者展示了一款ADAS模块设计的电源子系统,该子系统由六种以上不同IC组合而成,各个子系统间能和谐运行。值得一提的是,整合其中的单IC器件均是基于MPS先进工艺技术的电源产品,使得功率密度整体都非常高。

另外,子系统中还囊括了时序控制和电压监控的模拟产品。“MPS其实已经将汽车应用产品的范围从最擅长的DC/DC电源管理产品拓展到了精密模拟的领域”,Allen Chen表示在这种电源子系统中,需要考虑的不仅是单个IC的典型功能,还要考虑到各个IC如何与其他设备协同工作。

“MPS的这种‘电源子系统思维’在与第三方关键评估机构合作,评估机构会根据行业认可的标准对‘子系统’进行验证,这样客户不需要着眼于单个IC,可以完全从MPS获得整个子系统的电源方案,进而加快自己的设计周期。”

“子系统的概念的关键在于每个IC不仅要照顾自己的功能,还要考虑每个IC与其他IC的协同工作能力。现在很多客户在设计时,很有可能从厂商会拿来相应模块,但是很有可能这些模块在一起工作并不是最优化的场景,MPS想强调的是安全分析的重要性,在子系统层面,我们已经帮助客户考虑了诸多的应用场景,包括很多极限的应用场景”,Allen Chen如是说。

集成化方案帮助集成化市场

从ECU转变为DCU,从素质优秀的分立器件外加优秀的整体解决方案,实际上是电源管理IC企业针对这种行业趋势去定制的解决方案。

Allen Chen认为,MPS是从3个角度来帮助客户面对DCU上的挑战的:其一,更改时间和成本降低,这是因为DCU设计瞬息万变,诸如MPQ88XX-AEC1这种方案无需修改PCB,只需更改内部设计甚至可在一小时内就可满足新的需求;其二,功率密度高,DCU集成度高必然导致上面元器件增加,因此高功率密度下的小体积便独具优势;其三,拥有很好的耐受性和鲁棒性(Robustness,系统的健壮性),MPS的产品在EMC优化、耐受尖峰电流等方面具有极佳优势,并已形成很多开发文档和参考设计。

与此同时,MPS的硬件方案既然拥有如此强大的集成化和整体化,软件方案也可很好地帮助客户解决问题。近期,MPS最新上线了“虚拟实验台(Virtual bench)”的应用,客户可以轻松进行仿真,试验不同元器件的参数和数值,帮助客户轻松进行初步方案设计。另外,MPS很多产品内部已有相应固件,对软件进行投资和研发一直以来是MPS的愿景,致力于为客户提供更方便和易于使用的产品。

笔者认为,MPS如今在汽车产品的布局是单器件和整体方案双向发展的行径,这种方式使得无论是需求分立器件的客户还是模块化产品的客户均可获得理想产品。另一方面,单器件的增强,更是为整体方案进一步提高功率密度、减少体积铺开一条“罗马大道”。

反观电源管理IC整个市场,瞄准汽车市场的屡见不鲜,竞争汽车市场的“双板斧”就是高功率密度和可靠性。会议上,Allen Chen透露,MPS即将推出名为“MPSafe”的汽车安全级分类产品,藉由MPS的专业功能安全团队,充分发挥独特的安全优势。