優(yōu)化電源管理芯片 擁抱汽車電氣化新時(shí)代

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和科技的迅速迭代，汽車電氣化已成為未來發(fā)展的主要趨勢。電源管理芯片作為汽車電氣化的核心組成部分，正扮演著越來越重要的角色，市場規(guī)模逐步擴(kuò)大的同時(shí)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長勢頭。為應(yīng)對變化的電氣化市場需求，電源管理芯片行業(yè)正在不斷推出更加高效、安全、小型化的產(chǎn)品。全球排名前列的電子元器件授權(quán)代理商WT文曄科技，在電池管理領(lǐng)域深耕多年，擁有豐富的市場經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積淀，在此推薦一款ADI的先進(jìn)電源管理芯片。

WT文曄高級技術(shù)支持工程師Kenty Luo表示，借助汽車電氣化、數(shù)字座艙、網(wǎng)絡(luò)和連接等前沿技術(shù)，ADI的解決方案助力實(shí)現(xiàn)了更安全的交通出行、功能更豐富的座艙體驗(yàn)，以及更高效的電動(dòng)汽車性能。ADI提供的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)和智能電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)靈活且可擴(kuò)展的平臺解決方案，在精密檢測、邊緣處理、軟件和無線技術(shù)方面持續(xù)創(chuàng)新，以獲得實(shí)時(shí)的技術(shù)見解，致力于重新定義在整個(gè)汽車生態(tài)系統(tǒng)中創(chuàng)造和傳遞價(jià)值的方式。Kenty針對“高性能、功能安全、合作開發(fā)、小尺寸+低成本”四大關(guān)鍵要素展開介紹，并推薦了相關(guān)器件。

高性能

高效率是汽車電氣化系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電源管理芯片需要高效地轉(zhuǎn)換電能，最大限度地減少能量損失，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。高性能的電源管理芯片能在不同工作負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)換，有助于減少能源損耗和提高整體組件效率。

汽車電源芯片高性能的第一大優(yōu)勢就是可以盡可能地降低功耗。這是由于汽車電氣化的發(fā)展催生了大量的娛樂功能，而這些功能要求非常低的靜態(tài)功耗。因此，電源管理芯片的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是盡量降低靜態(tài)電流，以延長電池壽命和延長設(shè)備的待機(jī)時(shí)間；與此同時(shí)，還要求芯片擁有更低的電源噪音。

MAX25232是一款集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的小型同步降壓型轉(zhuǎn)換器，可在3.5V至36V的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)3A的電流，而在無負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流消耗僅為3.5μA。在正常的6V至18V工作輸入范圍內(nèi)，該器件在FPWM模式下提供±2%的輸出電壓精度。

該轉(zhuǎn)換器具有65ns的超短導(dǎo)通時(shí)間能力，能夠提供較大的輸入至輸出轉(zhuǎn)換比。電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號來監(jiān)測。該器件可以在99%占空比低壓差下運(yùn)行，非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。MAX25232還提供5V和3.3V兩種固定輸出電壓。

此外，該器件可以使用外部電阻分壓器配置為1V至10V輸出電壓。頻率在內(nèi)部固定為2.1MHz，因此所需外部元件數(shù)量少，同時(shí)能夠減少輸出紋波，并確保沒有AM干擾。與此同時(shí)，還提供400kHz選項(xiàng)以盡量降低開關(guān)損耗和提高效率。

MAX25232型號版本采用小型(3mm x 3mm)、12引腳、TDFN封裝，帶有裸露焊盤，所需外部元件非常少。在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入跳躍模式，空載時(shí)的超低靜態(tài)電流為3.5μA，還具有展頻調(diào)制能力，可以更大限度地減少調(diào)制頻率導(dǎo)致的電磁輻射，各項(xiàng)性能都優(yōu)于競品。

功能安全

除了保證汽車電源產(chǎn)品的電氣特性具有優(yōu)勢之外，ADI產(chǎn)品還有一個(gè)優(yōu)勢就是功能安全。隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，大家在關(guān)注高性能的同時(shí)也越來越重視安全，這也是對汽車電源功能模塊的另一大要求。

ADI公司有能力開發(fā)ASIL-D電源產(chǎn)品解決方案，有專門的團(tuán)隊(duì)基于ISO26262標(biāo)準(zhǔn)去做功能安全芯片的設(shè)計(jì)和開發(fā)；同時(shí)擁有獨(dú)立的質(zhì)量團(tuán)隊(duì)，能根據(jù)ISO26262在規(guī)定的階段進(jìn)行功能安全評估，并擁有成熟且專用的功能安全開發(fā)程序和安全計(jì)劃。

將電源安全芯片設(shè)計(jì)出來后，ADI可以向客戶提供安全手冊，以及和客戶審查FMEDA、危害分析、安全概念等，以便更好地將功能安全芯片置于整個(gè)系統(tǒng)里，而且還可以和合作伙伴一起來定義功能安全的需求、開發(fā)接口協(xié)議/DIA等。

ASIL（Automotive Safety Integrity Level）是汽車安全完整性等級，最新的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是以安全相關(guān)電子電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于IEC 61508《安全相關(guān)電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)功能安全》制定的道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為開發(fā)車規(guī)產(chǎn)品提供了一個(gè)符合ASIL的框架。

ISO 26262是史上第一個(gè)適用于大批量量產(chǎn)產(chǎn)品的功能安全（Functional Safety）標(biāo)準(zhǔn)，僅針對安全相關(guān)電子電氣系統(tǒng)，包含電機(jī)、電子與軟件零件，不適用于機(jī)械、液壓等非電子電氣系統(tǒng)。

ADI專為汽車設(shè)計(jì)的電源產(chǎn)品覆蓋汽車座艙電子和信息娛樂系統(tǒng)、車輛自動(dòng)駕駛和安全、汽車LED驅(qū)動(dòng)器以及電池管理和動(dòng)力總成等電氣化系統(tǒng)，確保其符合ASIL框架。根據(jù)市場表現(xiàn)，世健重點(diǎn)推薦當(dāng)前業(yè)界唯一的汽車級、ASIL-D電源系統(tǒng)檢測器MAX20480。

MAX20480是符合ASIL標(biāo)準(zhǔn)的完備SoC電源系統(tǒng)監(jiān)測器，多達(dá)7路電壓監(jiān)測輸入。每路輸入均具有可編程OV/UV門限，介于2.5%至10%之間，精度為±1%。其中兩路輸入具有獨(dú)立的遠(yuǎn)端地檢測輸入，通過集成I2C接口支持DVS。

MAX20480包含可編程靈活上電順序記錄器（FPSR）。該記錄器獨(dú)立儲存上電和斷電時(shí)標(biāo)，支持開/關(guān)和休眠/待機(jī)電源排序。該器件既包含可編程質(zhì)詢/應(yīng)答看門狗，可通過I2C接口訪問，也包括可編程低電平有效RESET輸出。

與獨(dú)立IC或分立式元件相比，MAX20480在提高可靠性的同時(shí)能大幅降低系統(tǒng)尺寸和元件數(shù)量。與監(jiān)控控制器配合使用時(shí)，MAX20480滿足ASIL-D可靠性標(biāo)準(zhǔn)。器件工作在-40°C至+125°C環(huán)境溫度范圍。應(yīng)用場景包含無人駕駛系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控和MCU/SoC監(jiān)測等。

合作開發(fā)

不同的汽車品牌和型號對電源管理的需求可能有所不同，特別是在功率需求、保護(hù)功能、通信接口等方面。ADI通過與SoC廠商、Tier 1供應(yīng)商和OEM合作，綜合廠商的要求去設(shè)計(jì)開發(fā)電源產(chǎn)品可以更好地理解客戶的定制化需求，并為其量身定制符合特定要求的產(chǎn)品，以滿足客戶的需求并提供更好的解決方案。

汽車電氣化的發(fā)展催生了無人駕駛的普及，自動(dòng)駕駛對算力的要求越來越高，這也意味著對功率的要求會越來越高。Kenty介紹，MAX20411這款產(chǎn)品就是ADI結(jié)合市場發(fā)展趨勢和廠商合作的汽車級SoC降壓電源芯片，符合ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)并可提供高達(dá)40A的輸出電流。

MAX20411為高效、同步降壓型轉(zhuǎn)換器系列，工作在3.0V至5.5V輸入電壓范圍，提供0.5V至1.275V輸出電壓范圍。寬輸入/輸出電壓范圍以及高達(dá)40A的峰值輸出電流，使其非常適合用于負(fù)載點(diǎn)和后端穩(wěn)壓。在整個(gè)負(fù)載、電源和溫度范圍內(nèi)的輸出誤差低至±0.75%。

MAX20411具有2.1MHz固定頻率PWM模式，可實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。2.1MHz工作頻率允許使用全陶瓷電容，使外部元件最小化。擴(kuò)頻調(diào)制選項(xiàng)最大程度抑制電磁輻射。相對于分立式方案，集成的低RDS(ON)(ON)開關(guān)大大提高重負(fù)載時(shí)的效率，并簡化電路布局。

該器件采用MAXQ電源架構(gòu)，提供高精度瞬態(tài)性能和相位裕量，允許在獲得最大功率、性能和精度的同時(shí)最大程度降低任何特定應(yīng)用的系統(tǒng)成本。采用工廠預(yù)設(shè)輸出電壓(見選型指南)，I2C接口提供動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，擺率可編程。其他特性包括可編程軟啟動(dòng)和過熱保護(hù)，應(yīng)用于汽車ADAS系統(tǒng)和SoC核心電源等。

小尺寸+低成本

隨著市場對芯片的尺寸和成本要求越來越苛刻，主要是由于小型化設(shè)計(jì)趨勢、系統(tǒng)高集成度、成本壓力以及技術(shù)進(jìn)步和制造工藝改進(jìn)等因素的影響。除了要考慮芯片本身的尺寸外，還要考慮外圍器件的尺寸，其中影響外圍器件輸出電容尺寸大小的是最大單位增益帶寬（UGBW）能力，對于需要高瞬態(tài)性能的應(yīng)用，輸出電容要求可能會提高系統(tǒng)成本和解決方案尺寸。

對此，ADI開發(fā)了MAXOARCHITECTURE架構(gòu)，最大限度地提高UGBW并優(yōu)化了工藝和溫度變化，在保證相同性能和輸出穩(wěn)定性的同時(shí)，比市面上競爭對手的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)至少減少50%的輸出電容，進(jìn)而降低了系統(tǒng)PCB板的尺寸和成本。

如何將芯片的尺寸降下來？ADI用到了90nm的新工藝P90。這是90nm的一個(gè)新工藝，不僅縮小了芯片的尺寸，還將效率從老工藝的93.4%提升到了94.7%，封裝的尺寸也變小了，使得更多的邏輯單元可以更好地集成在電源芯片里，將整個(gè)系統(tǒng)的尺寸變小，成本也就隨之降下來了。

Kenty結(jié)合當(dāng)前市場，推薦一款具有10μA靜態(tài)電流和雙相能力的汽車級全集成降壓轉(zhuǎn)換器MAX20408/MAX20410，集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，也是業(yè)界較早針對雙相操作優(yōu)化的集成高功率小型同步降壓轉(zhuǎn)換器。

MAX20408/MAX20410均可在3V到36V的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)8A/10A的電流，電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號來監(jiān)測，支持在99%占空比低壓差下運(yùn)行，非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。

該器件提供可編程輸出電壓或3.3V/5V固定輸出電壓選項(xiàng)，2.1MHz和400kHz的高開關(guān)頻率選項(xiàng)支持使用小型外部元件，可減少輸出紋波并確保無AM干擾?？删幊痰腇SYNC輸入支持三種模式以優(yōu)化性能：強(qiáng)制PWM模式、具有超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時(shí)鐘的同步模式。

MAX20408/MAX20410還具有雙相功能，支持高達(dá)20A的設(shè)計(jì)，還可配置為主機(jī)和從機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)電流共享和180°錯(cuò)相操作，擴(kuò)頻選項(xiàng)可有效減少EMI輻射。此外，該器件采用小型3.5mm x 3.75mm 17引腳FC2QFN封裝，應(yīng)用于汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)和其他安全關(guān)鍵應(yīng)用、汽車高功率傳感器融合以及車載信息娛樂系統(tǒng)等。

總結(jié)

ADI公司的汽車級電源管理的新技術(shù)和解決方案不僅能通過先進(jìn)的技術(shù)和理念滿足汽車電氣化時(shí)代嚴(yán)苛的要求，包括對電源芯片的高性能、功能安全、合作開發(fā)、小尺寸以及低成本等多個(gè)維度的考量，同時(shí)也為市場未來的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)，能幫助廣大工程師更好地迎接各類挑戰(zhàn)。WT文曄科技是與ADI合作多年的授權(quán)代理商，可提供相關(guān)技術(shù)支持和服務(wù)。