安森美半导体的高能效汽车半导体解决方案

　　汽车技术需求

　　当今，随着人们对汽车舒适性等方面要求的提高，车身电子控制和动力性的重要性日益突显，越来越多的汽车开始装备高性能的车身控制系统和先进的管理系统。这类系统的增加和升级为半导体器件的应用开辟了巨大的空间。过去几年配置多而全的做法使得不同车型的配置高度同质化，已不再对消费者有很强吸引力，针对消费者使用习惯的配置设计和搭载才能再次胜出。

　　随着西方汽车市场需求的复苏以及发展中经济体车辆数目的持续增长使燃料消耗和污染不断增加，政府和制造商都在积极探索改善燃油经济性以节约能源、减少排放的途径，汽车中越来越多的电子功能也使半导体元件在车辆中的比重不断激增。面对环保和丰富消费者体验的双重挑战，半导体制造商正在利用其技术专长开发各种符合汽车规范的解决方案。

　　但是，面对环保和丰富消费者体验的需求，以及汽车器件的严格规范，制造商一方面要在产品的设计和制造等方面更加注重可靠性指标的，另一方面也要保证产品在提供更高性能的同时，符合环保节能方面的要求。本文将结合安森美半导体的汽车技术专长，谈谈汽车车身及动力系统解决方案所采用的各种器件。

　　汽车应用的挑战

　　汽车电子市场一直是半导体工业的重要应用领域之一，今天的汽车已不再只是一种交通工具，对安全、舒适和多种功能的需求使电子产品在整车中的成本比例不断上升。近几年，中国汽车市场连续两位数的强劲增长势头更引起了半导体厂商的关注。

　　但是，汽车应用使用的器件与普通工业应用要求不同，更加难以满足。由于汽车应用的特殊性，其中的电子产品对于整车的安全和可靠性影响很大，因此对电子元件制造商来说，一方面要在产品的设计和制造等方面更加注重可靠性等指标的，另一方面也需要供应商在零部件的筛选等环节严格把关，保证配套产品符合可靠性和性能等方面的要求

　　先进的汽车工艺技术

　　汽车电子设备的增加使汽车的各个部分都无法避免寄生信号，甚至可能出现80 VV的峰值，汽车设计团队必须考虑到这一点。用于汽车的模块和组件需要能够承受这种峰值并保证实现应有的功能。安森美半导体利用成熟的汽车技术能力，开发了一套专门的高电压汽车电源技术，实现复杂的高电压系统级芯片（SoC）解决方案，满足电压和数字门集成的要求。

　　同时，汽车中越来越多的电子含量对电磁兼容性的要求越来越高，汽车制造商也制定了相应的性能标准，旨在使车载网络（IVN）应用拥有更高的抗ESD脉冲和抗EMI能力。安森美半导体利用创新的I3T50/I3T80技术提供的一流器件，通过深沟槽隔离等工艺既实现了先进功能，又保证了可靠设计，降低了芯片上不同单元（cell）结构之间的干扰。

　　安森美半导体的一系列技术允许使用高达100V的电源，有利于元件的集成——包括嵌入式微处理器内核。安森美半导体的汽车ASIC和专用标准产品（ASSP）解决方案广泛用于动力总成（包括环境温度≥150℃的高温应用）、安全、车身、仪表板、IVN、传感器和驱动器应用。

　　安森美半导体是汽车MOSFET市场的主要供应商。除了平面MOSFET产品系列，该公司还提供40 V和60 V沟槽MOSFET。沟槽技术是为低Rds（（on））开关应用优化的，与平面技术相比，更适用于线性操作模式。

　　安森美半导体车身及便利应用解决方案

　　车身电子及便利应用包括气候控制、智能接线盒、前照灯调节与电源控制、雨刷和光传感、后视镜控制、座椅位置/加热/冷却、车门模块、方向盘传感器等。

　　这里以车身暖通空调（（HVAC）的控制、通信和电源、车载网络方案、汽车照明方案以及直流电机驱动器为例介绍。

　　1. 车身HVAC的控制、通信和电源

　　HVAC包括多个子系统：其一是汽车加热及通风系统，从外部管道吸入清新空气进入车厢；进入的空气可以通过连接引擎冷却系统的小型发热芯来加热。其用途是提高乘客的舒适和安全度。其二是空调制冷系统，将车内热量转移到不断循环的蒸发和冷凝的外部空气中，降低空气的温度和湿度。其三是控制头，即带有用户界面的ECU（（电子控制单元）。

图1：HVAC框图

　　图1是HVAC的框图，图中绿色的部分都会用到安森美半导体的各种器件。这些器件包括用于I/O保护的二极管和整流器；用于收发器或SBC的接口；用于电机预驱动器（BLDC、BDC）的IGBT/FET和MOSFET；用于步进电机驱动的负载/继电器驱动器及接口；用于控制面板的双极晶体管/数字晶体管（BRT）、接口、模拟开关、标准逻辑、多路转换器；用于信号调理的放大器和比较器、运算放大器；用于高端驱动器的驱动器、负载/继电器驱动器、IGBT/FET和MOSFET；用于电源保护的二极管和整流器、小信号开关二极管、齐纳二极管、肖特基二极管；用于稳压（线性、开关）的接口、直流-直流（DC-DC）控制器、转换器和稳压器、控制器、线性稳压器；用于监控的DC-DC控制器、转换器和稳压器；以及用于低端驱动器的负载/继电器驱动器、IGBT/FET和MOSFET。

　　2. 车身HVAC直流电机驱动器

　　目前，的翼板执行器（flap actuator）是将位置信号反馈给微控制器的简单的直流电机。为了控制直流电机的正向和反向，必须使用全桥配置的两个高端功率级和两个低端功率级。通常，这些驱动器集成了所需的功能，如过压、过载和过温保护。此外，SPI接口可以为微控制器提供诊断功能。

　　集成的脉冲计数技术结合额外的信号调节块可以取代分立的位置电位计器。在脉冲计数应用中，该电路检测直流电机的换向脉冲，并为每个检测到的换向脉冲创建一个脉冲。通常这些脉冲要反馈到微控制器进行位置检测和位置控制。安森美半导体为这类电路定制的ASIC已经投产。

　　六路半桥式驱动器NCV7708就是一种灵活的单面高/低端驱动器。其六个高端和低端通道专门用于电机控制配置，如半桥或全桥。NCV7708可以通过一个16位SPI接口控制5个直流电机。该器件还可以控制继电器或指示灯。图2是该器件的功能框图。

图2：NCV7708功能框图

　　三路半桥驱动器NCV7703可以控制两个直流电机。功率级的内部连接作为半桥使用，采用SO-14封装的器件可有效减少引脚数量。图3是该器件的框图。

图3：NCV7703功能框图

　　3. 车载网络方案

　　车载网络（IVN）应用需要尽可能地降低成本及减小占用的空间，同时提升系统的稳定性和长期可靠性，因此需要提高元器件的集成度。安森美半导体的IVN器件非常多，包括用于本地互连网络（LIN）和控制器局域网络（CAN）的各种收发器。例如，安森美半导体的NCV7420集成了线性稳压器及LIN收发器，有效地节省PCB板空间，又可为MCU单独供电，有效抑制其它模块对MCU电源的干扰。

　　又例如安森美半导体针对IVN应用的单线LIN收发器AMIS-30600，可以作为协议控制器和物理总线之间的接口，特别适合驱动汽车和工业应用中的LIN系统总线，也可用于标准ISO9141系统。为了减少电流消耗，AMIS-30600提供了待机模式。该收发器采用I2T100技术，将高压模拟电路和数字功能集成在同一个芯片上，通过故障情况的无限短路保护功能，为满足当前的IVN要求提供了一种超安全的解决方案。

　　近，安森美半导体推出了一款功能丰富的本地LIN收发器NCV7321。它可在低数据率IVN应用中作为LIN协议控制器与物理总线之间的接口。NCV7321具备的电磁兼容性（EMC），以及高达13 kV的强固系统级静电放电（ESD）性能，不需要外部ESD元件，功耗也更低，非常适合汽车应用的严苛环境。

　　NCV7321采用安森美半导体创新的I3T技术及智能电源技术，使高压及敏感的数字技术能够共存于同一芯片。它符合LINv2.1和J2602规范，具备与AMIS-30600相同的功能，但引脚输出不同，为客户提供了符合现有LIN收发器的替代产品。该器件采用高密度、节省空间的SOIC-8封装，典型应用包括多种车身电子功能和舒适功能应用，如遥控车门开锁接收器、车窗和遮阳罩升降器、报警器、电动视镜及座椅调节器，以及电子转向锁和轮胎监测电子控制单元（ECU）等其它功能。

　　NCV7321的突出特点是限度满足了汽车的省电目标，休眠模式下的电流消耗仅为10 ?A。其它关键特性包括热关闭、模糊短路保护及45 V负载突降保护。图2显示了基于NCV7321 LIN收发器的典型电路。值得一提的是，该器件支持-45 V至45 V的电压范围，可承受额定5 kV的ESD脉冲，提供了强大的保护功能。

　　4.汽车照明方案

　　NCV7608具有的灵活性，可以驱动不同类型的电机及各种负载，如灯泡、发光二极管和继电器。NCV7608有一个可防止LED发光的特殊诊断电流禁用位，以及标准的诊断功能。图4是NCV7608的功能框图。

图4：具备灵活性的NCV7608

　　该器件是一款8路可配置低端/高端驱动器，采用高密度SOIC-28W封装，能够在-40℃至+150℃的结温下工作。NCV7608具有3.15 V至5.25 V的宽输入电压范围，并具有8路完全独立的输出驱动器，能够任意配置为高端、低端或半桥配置组合，为需要驱动大量负载的设计人员提供极灵活的方案。

　　该器件通过集成的标准串行外设接口执行所有输出段的数字控制，这种功能还能获取诊断故障信息。此外，4个通道能利用外部控制输入引脚进行脉宽调制（PWM）控制。该器件在25℃时的典型导通阻抗（RDSON）仅为1.2 Ω，能大幅延长电池使用时间。

　　规范完备的NCV7608还提供正/负瞬态保护、过流保护及过温保护功能。其集成钳位电路（在高端及低端工作模式下）确保过温保护及欠压锁定。利用NCV7608可以支持单极和双极步进电机控制，如图5所示。

图5：用NCV7608支持单极和双极步进电机控制

 

 

　　其汽车照明用集成线性电流稳流及控制器NCV7680可以单芯片为组合尾灯供电，提供更佳的性能和更高的能效，且占位面积比市场上的方案更小。该器件包含8个线性可编程恒流源，适用于汽车固态组合尾灯（RCL）的稳流和控制，支持高达每通道75 mA的发光二极管（LED）驱动电流。

　　NCV7680集成了众多功能，支持两个亮度等级，用于停车，另用于尾部照明。如果需要，也可使用可选的脉宽调制（PWM）控制。系统设计人员只需使用一个外部电阻设定输出电流（整体设定点）。另外，针对要求大电流的设计，可选的外部镇流器场效应晶体管（FET）可以根据设计所需的高电流进行功率分配。延迟的功率极限降低了在过电压状态下的驱动电流。这对于没有外部FET的低电流应用来说十分重要。

　　安森美半导体动力系统解决方案

　　动力总成包括传输控制和位置检测、引擎控制、油门控制、油位检测、空气流量监测、气门控制、燃油喷射控制等。这里介绍的是安森美半导体的引擎管理和燃油喷射系统解决方案。

　　1.引擎管理及动力总成方案

　　目前，大约有80％的引擎是汽油引擎。汽油引擎都采用直接喷射和涡轮增压，以提高简单和经济型引擎的效率。汽油引擎未来仍是世界各地的主导力量，不过柴油引擎在欧洲已大约达到40％的普及度，并在北美地区也有增长的潜力。

　　汽车电子器件有助于通过引擎的控制、检测和驱动来提高效率。精心控制的关键部件（如喷油器和气门）可达到效率。为了提高控制能力，需要对燃烧室压力进行实时测量和处理，可减少汽油引擎30％的燃料消耗。

　　安森美半导体为汽油引擎、双燃料/弹性燃料（bi/flexfuel）和柴油引擎开发了各种定制和标准产品，范围覆盖从点火控制的供气和供油到排气后处理子系统的众多应用。这些产品组合包括：电感式角度传感器接口、压力传感器接口、爆震和轮速检测电路、油/尿素流（urea-flow）和气流接口、车载网络组件、油门执行器驱动器和前置驱动器、电磁和压电燃料喷射系统、火花点火、风机、泵和液压控制。图6是汽油引擎管理系统的框图。此外，安森美半导体还提供柴油引擎管理系统，以满足柴油引擎在欧洲和北美地区持续增加的需求。

图6：汽油引擎管理系统

　　2. 燃油喷射系统解决方案

　　燃油喷射系统用来测量每个气缸的燃料数量和时序。完全集成的多点（MPI）汽油引擎管理系统仍然是目前的解决方案。为满足强劲增长的汽油直喷（GDI）系统的新需求，安森美半导体还推出了动力总成方案，涵盖了传输控制和位置检测、引擎控制、油门控制、油位传感器、空气流量监测、气门控制、燃油喷射控制等应用。

　　半导体器件有助于通过引擎的控制、检测和驱动来提高效率。精心控制的关键部件（如喷油器和气门）可达到效率。为了提高控制能力，需要对燃烧室压力进行实时测量和处理，可减少汽油引擎30％的燃料消耗。

　　总结

　　身为的高性能、高可靠性硅解决方案供应商，安森美半导体制定了完整的汽车解决方案战略 。除了用于车身和动力系统，安森美半导体采用先进汽车工艺技术的各种汽车应用产品，还可以用于汽车电子的其他部分，以实现优异的性能。这些器件包括：集成了关键系统元件的系统级芯片可提高系统可靠性，降低能耗，节省电路板空间；极低静态电流和宽线性稳压能力的线性稳压器具备短路保护和过温保护；采用自保护MOSFET的集成电路可取代继电器和保险丝驱动电磁线圈和灯；消除反向恢复振荡的高压整流器可提供低正向压降，提高效率；有瞬态电压保护功能的高可靠电子模块可实现I/O和传感器、负载突降、网络数据线和负载开关等保护。此外，安森美半导体还提供各种汽车级运算放大器和比较器、可靠的电机和机电继电器驱动集成电路及插座、采用标准CMOS/低电压CMOS工艺的稳固的标准逻辑系列。旨在为越来越多的汽车客户提供基于ASIC、ASSP和分立式元件的全面解决方案，帮助客户实现车身、HVAC、动力系统、安全、信息娱乐和LED照明的节能应用。为了支持中国这个的汽车市场，安森美半导体还在上海设立了汽车解决方案工程中心，通过本地技术支持深入了解和解决客户的问题，提供参考设计和演示板，帮助客户优化系统成本和性能，推动中国新汽车产品的开发进程。

　　所有这些集成电路和分立器件均符合汽车可靠性和温度等规范和环保要求，同时可以满足人们对汽车舒适性等方面越来越高的要求。