車用電源管理的挑戰(zhàn)如何破解？瑞薩、ADI等四大廠商方案支招

本站原創(chuàng)，作者：章鷹，電子發(fā)燒友執(zhí)行副主編。

電源設(shè)計技術(shù)的主要驅(qū)動因素是價格和功率，但近些年來，滿足強制性效率及安全法規(guī)已成為最主要的因素。尤其是在智能網(wǎng)聯(lián)汽車和新能源汽車領(lǐng)域，這是重點之一。ADI公司電源系統(tǒng)工程總監(jiān)梁再信指出，電源設(shè)計面對越來越多的挑戰(zhàn)，特別是效率的提升，EMI和占板面積。對系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化都提出了很多挑戰(zhàn)。

電子設(shè)備在汽車上的諸多應(yīng)用，造成車用電源管理與供電系統(tǒng)變得更為先進與復(fù)雜，使得電源管理的問題便成為汽車設(shè)計端的最大挑戰(zhàn)。瑞薩、ADI、PI和Dialog公司推出了專門針對汽車BMS系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)、整車控制器系統(tǒng)、車載信息娛樂系統(tǒng)使用的電源驅(qū)動IC，小編為大家梳理。

瑞薩：100V半橋驅(qū)動器為12V - 48V汽車混合動力系統(tǒng)的雙向電源控制器MOSFET提供安全驅(qū)動

2016年9月，瑞薩花費32億美元收購美國芯片制造商intersil，加強在模擬、電源領(lǐng)域的布局，以配合瑞薩電子最強大的MCU、Soc等處理器產(chǎn)品線。這宗交易使瑞薩進入規(guī)模達100億美元的電力管理芯片市場。Intersil一直在研究如何延長電動車用電池壽命等使用效率問題。

瑞薩電子株式會社高級副總裁、瑞薩電子中國董事長真岡朋光介紹說，目前瑞薩電子主要產(chǎn)品包括微控制器（MCU）、片上系統(tǒng)（SoC）、模擬及功率器件等，廣泛應(yīng)用到汽車、工業(yè)、家電、辦公自動化、AI、信息通訊等領(lǐng)域，全球銷售額約為7800億日元，全球員工約2萬人。

2018年11月7日，瑞薩宣布推出全新汽車應(yīng)用級的 100V、4A 半橋N-MOSFET系列驅(qū)動器--- ISL784x4。ISL784x4 系列驅(qū)動器包括三個型號： ISL78424 、 ISL78444（三態(tài)電平PWM 輸入，高邊和低邊驅(qū)動輸出）和 ISL78434（高邊和低邊驅(qū)動獨立輸入和輸出）。

瑞薩電子株式會社汽車系統(tǒng)項目管理部副總裁大道昭表示：“我們新推出的 ISL784x4 系列半橋驅(qū)動器是首個將柵極電壓檢測的自適應(yīng)死區(qū)時間控制與獨立的源電流和灌電流驅(qū)動控制相結(jié)合的驅(qū)動器產(chǎn)品。高度集成的 ISL78424、ISL78434 和 ISL78444 在同類產(chǎn)品中擁有多項最佳的特性，性能優(yōu)于競爭對手的半橋驅(qū)動器，同時為我們的客戶提供了最佳的性能和易用性?！?/p>

ISL78424、ISL78434 和 ISL78444 的主要特性

● 3A 源電流 / 4A 灌電流驅(qū)動輸出

● 三態(tài)電平 PWM 輸入（ISL78424 和 ISL78444）

● 獨立 HI/LI 驅(qū)動輸入 ( ISL78434 )

● 獨立源電流和灌電流驅(qū)動輸出（ISL78424和ISL78434）

● 8V 至 18V 的寬電源電壓范圍

● 集成的 3? 自舉 FET 開關(guān)，無需外部肖特基二極管

● 單電阻控制調(diào)節(jié)自適應(yīng)死區(qū)時間

● 符合AEC-Q100 1級標準，- 40°C至 + 140°C運行溫度范圍

瑞薩電子通過 AEC-Q100 認證的 100V 半橋驅(qū)動器能夠安全驅(qū)動 MOSFET，適用于 12V 至 48V 汽車混合動力系統(tǒng)中的雙向控制器。先進的 ISL784x4 MOSFET 驅(qū)動器系列支持高電流 DC/DC 轉(zhuǎn)換，提供可調(diào)死區(qū)時間和最大化效率。ISL784x4 驅(qū)動器還非常適用于 12V 至 24V 雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及其他高電流降壓或升壓應(yīng)用。

ISL784x4 驅(qū)動器通過提供獨立的源電流和灌電流驅(qū)動引腳，簡化了大電流 MOSFET 的驅(qū)動。籍此，設(shè)計人員可以輕松使用外部驅(qū)動電阻調(diào)節(jié) DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點電壓的上升和下降速率，從而降低電磁干擾 ( EMI )。ISL784x4 還提供自適應(yīng)死區(qū)時間控制，以確保準確的先關(guān)后開的開關(guān)操作， 防止在兩個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)同時開通時可能發(fā)生的直通電流。 此外，ISL78424 和 ISL78434 的自適應(yīng)死區(qū)時間控制功能可以在 MOSFET 的柵極檢測電壓， 消除了由于驅(qū)動電阻上壓降造成的潛在驅(qū)動電壓檢測誤差。

ISL784x4 系列驅(qū)動器非常適合大電流 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，例如用于 48V 輕混合動力車輛的 12 - 48V 電源轉(zhuǎn)換器。它們通過提供具有 3A 峰值源電流和 4A 峰值灌電流的強大驅(qū)動能力來提高效率。強大的柵極驅(qū)動能力使它們能夠快速開關(guān)具有大柵極電容的大電流 MOSFET，從而降低開關(guān)損耗。半橋 MOSFET 驅(qū)動器的自適應(yīng)死區(qū)時間控制可最大限度地減少多余的死區(qū)時間，從而降低傳導(dǎo)損耗并進一步提高 DC/DC 電源的轉(zhuǎn)換效率。此外，ISL784x4 系列驅(qū)動器提供的額定電壓適用于 48V 汽車系統(tǒng)，對于這種系統(tǒng)，開關(guān)節(jié)點可承受 70V 直流電壓，并在不頻繁的情況下承受高達 86V 的瞬態(tài)電壓。同樣，高邊驅(qū)動器的自舉節(jié)點可以承受 86V 直流電壓和高達 100V 的瞬態(tài)電壓。

ADI：第四代鋰電池主監(jiān)控IC產(chǎn)品LTC6811

汽車產(chǎn)業(yè)，更加重視EMI問題和功能安全性問題，對于器件的品質(zhì)和可靠性都非常關(guān)注，這其實也是ADI長期以來非常重視的。特別是ADI電源相關(guān)產(chǎn)品，對大部分參數(shù)均承諾全溫度范圍內(nèi)參數(shù)一致性，為客戶提升產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性奠定了堅實基礎(chǔ)。

動力電池因為高能量密度特性成為新能源車輛的主要動力源，占整車成本比重較高，在純電動汽車中高達40%，是新能源汽車“三電”核心關(guān)鍵技術(shù)之一。BMS（電池管理系統(tǒng)）技術(shù)通過對動力電池的熱管理，啟停電池冷卻系統(tǒng)，管理單體電池之間的均衡，防止單體電池過充過放產(chǎn)生危險，并監(jiān)測整體電池的健康狀態(tài)，從而提高電池組效率、延長壽命并確保安全性，已成為新能源汽車提升續(xù)航里程、降低整車成本的重要設(shè)計考慮點。

由于鋰電池在混合動力汽車和純電動汽車領(lǐng)域的出色電能和功率特性，汽車行業(yè)目前普遍選用鋰電池解決方案。動力鋰離子電池組包含大量的電池單元，工作電壓和電流很高，必須正確監(jiān)控且對強弱電信號進行隔離，才能提高電池效率、延長電池壽命，同時確保電池組的安全性。

圖：ADI針對汽車能量管理的完整解決方案。

ADI第四代鋰電池主監(jiān)控IC產(chǎn)品LTC6811，能夠?qū)?2個通道的電壓和溫度進行監(jiān)測(未來產(chǎn)品提供更靈活的通道數(shù))，極限精度優(yōu)于1.2 mV；可采用菊花鏈連接；提供業(yè)界最快的轉(zhuǎn)換速度和最佳數(shù)據(jù)保護；可在290μs內(nèi)檢測12個通道的數(shù)據(jù)；并提供被動式電池單元平衡控制功能。而專為汽車應(yīng)用優(yōu)化的數(shù)字隔離器iCoupler，具有高速率下最低功耗性能的同時，還具有封裝尺寸小、通道選項多的優(yōu)勢，所需組件量和占用電路板面積都最小。isoPower是 ADI 獨特的集成電源數(shù)字隔離器解決方案，它提供隔離電源和多通道數(shù)字隔離功能；與分立式DC至DC隔離器加數(shù)字隔離器的方案相比，isoPower的成本更低、占用面積更小。

基于LTC6811產(chǎn)品、iCoupler和isoPower技術(shù)的ADI最新一代鋰電池BMS解決方案，具備高精度監(jiān)控功能，在苛刻的環(huán)境下能夠保持良好的性能，提供可靠、安全的電量管理，并能有效降低系統(tǒng)的整體成本。

PI：SCALE-iDriver系列門驅(qū)動器IC

效率是電動汽車至關(guān)重要的因素，Power Integrations大功率產(chǎn)品高級市場總監(jiān)Michael Hornkamp表示：“隨著我們最新的1700 V SCALE-iDriver IC的推出，生產(chǎn)廠商可以使用相同的平臺為涵蓋400 VAC到690 VAC輸入電壓的所有應(yīng)用開發(fā)電源，從而簡化設(shè)計過程。FluxLink技術(shù)可取代比較常用但存在問題隱患的光耦器件，SCALE技術(shù)有助于輕松、快速地完成緊湊、堅固且可靠的設(shè)計?！?/p>

PI多年來一直是牽引用IGBT和門極驅(qū)動器的領(lǐng)導(dǎo)者，在堅固耐用、高可靠性和高效率方面享有盛譽。我們在實際工作中，除了效率之外，對汽車安全可靠性工作放在首位。

用于隔離通信的光耦器是一個薄弱環(huán)節(jié)，因為它們存在眾所周知的老化機制。Power Integrations的SCALE-iDriver系列門極驅(qū)動器IC可同時為IGBT和MOSFET提供驅(qū)動，它們將FluxLink磁感雙向通信技術(shù)引入到1200 V和1700 V驅(qū)動器應(yīng)用，可省去壽命相對較短的光電器件和相關(guān)補償電路，從而增強系統(tǒng)運行的可靠性，同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

該IC集成了中壓和高壓應(yīng)用中常用的先進的系統(tǒng)安全和保護功能，進一步增強了產(chǎn)品可靠性。此外，它們所采用的創(chuàng)新的eSOP封裝具有9.5 mm爬電距離，并且相對漏電起痕指數(shù)(CTI)為600，可確保實現(xiàn)更大的工作電壓裕量和更高的系統(tǒng)可靠性。

1700 V SCALE-iDriver IC在不使用外部推動級的情況下，可提供最大8 A的門極電流并支持110 kW以上的逆變器；在使用外部推動級的情況下，可提供最大30 A的門極電流并支持400 kW以上的逆變器。1700 V SCALE-iDriver IC適用于工業(yè)驅(qū)動、電源/UPS、所有尺寸的光伏逆變器、工業(yè)暖通空調(diào)(HVAC)、EV充電樁、牽引設(shè)備以及商用電動車。

Dialog：高度集成的汽車級PMIC

作為目前全球最大的智能手機電源管理IC供應(yīng)商，Dialog占據(jù)了全球20%的電源管理芯片市場。Dialog當前主要為蘋果產(chǎn)品供應(yīng)PMIC模塊（電源管理集成電路）供應(yīng)商， 主打充電和藍牙低功耗技術(shù)。在汽車車載電源管理領(lǐng)域，Dialog顯然也是有備而來。

圖：Dialog CEO Jalal Bagherli博士

在2018年第三季度業(yè)績報告會上，Dialog CEO Jalal Bagherli博士表示：“Apple在過去10年中取得的成功是對Dialog獨特技術(shù)的驗證，讓我們對未來的增長潛力充滿信心。Dialog還獲得了廣泛的新合同，包括PMIC的開發(fā)和供應(yīng)使用; 音頻子系統(tǒng); 跨多個下一代產(chǎn)品資產(chǎn)的充電和其他IC。新合同的收入預(yù)計將從2019年開始實現(xiàn)，并加速到2020年?！?/p>

正是看到這一明顯趨勢：移動技術(shù)與汽車持續(xù)融合，意味著車載信息娛樂系統(tǒng)正在快速演變?yōu)榻Y(jié)合娛樂、3D導(dǎo)航和駕駛員安全信息的平臺，并融合環(huán)視攝像頭處理技術(shù)。

為了滿足當今汽車制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商對聯(lián)網(wǎng)汽車電源管理的嚴苛要求，Dialog公司提供一系列復(fù)合汽車行業(yè)嚴格質(zhì)量和可靠性要求的汽車級系統(tǒng)PMIC和子PMIC。

Dialog高度集成的汽車級PMIC具有強大的內(nèi)置可配置引擎。Dialog對系統(tǒng)PMIC和子PMIC的獨特分區(qū)技術(shù)提供了可擴展性和靈活性的優(yōu)勢，同時能在惡劣的溫度環(huán)境中分配功率消耗。這為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了信心，通過解決電源排序、散熱和系統(tǒng)控制挑戰(zhàn)，在添加新外設(shè)時可以定制參考設(shè)計。從而獲得安全、可靠、高度優(yōu)化、并且實現(xiàn)差異化的電源設(shè)計。

所有Dialog汽車級電源管理產(chǎn)品均通過AEC-Q100認證。Dialog獨特的系統(tǒng)PMIC和子PMIC可以擴展電源以匹配處理器需求。內(nèi)置的可配置特性有助于最大限度提高軟件重復(fù)利用率、縮短驗證周期、并幫助客戶優(yōu)化系統(tǒng)BOM，而且可以應(yīng)用于多種不同級別的終端產(chǎn)品。