新型汽车电子功率芯片特性与应用
2010-12-17 17:23:58
来源：《半导体器件应用》2010年5月刊
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0 前言
汽车电子的发展总是和半导体技术的进步密不可分，半导体技术正在引领我们走向汽车设计新时代，应用于现代汽车中的半导体技术和产品正在迅速增加，汽车电子技术应用正在向纵深发展。汽车动力系统作为汽车电子最重要的核心系统之一，半导体技术更是起到非常重要的作用。近年来，从微处理器，传感器和汽车功率器件等方面在汽车动力系统中得到广泛应用。值此，就汽车功率器件的特性技术与应用，以及发展作介绍。
今天应用于汽车动力系统中的功率器件大都基于BCD技术(Bipolar CMOS DMOS)，这种技术不仅有能够驱动大电流的DMOS结构，还可以集成复杂的逻辑和控制功能，比如过流、过温保护、诊断功能、准确的电流控制等等。这些功能明显的加强了系统的可靠性，同时为OBD提供了很大的方便。越来越多的功能被集成在功率器件里，这也有效的优化了系统结构，进一步节省了系统的成本。虽然越来越多的智能芯片被运用于系统当中，分立元件以其特有的优势依然常常被应用于动力系统当中，尤其是对于功率损耗特别大的应用，比如柴油喷射系统中。
值此，先例举混合信号功率与控制系列器件特性技术作分析。
1 混合信号功率与控制系列器件特性
混合信号功率与控制系列器件主要指新型负载驱动接口电路。这是由于为了满足各种负载要求，需要提供完整的功率接口电路芯片糸列。该芯片糸列的产品是采用混合信号处理技术，它能为设计人员提供灵活的架构以及功率驱动性能以满足特定的需求。
其Power+集成电路是单片功率DMOS器件，在表面贴片的封装中集成多个晶体管。该类器件包括板级控制逻辑、ESD保护、缓冲器电路、诊断功能以及故障检测等。
Power+产品能满足多种功率开关应用（包括驱动分马力电机、螺线管、电磁阀、继电器、LED以及白炽灯等），它为分立式功率MOSFET与混合电路设计提供了优秀的备选解决方案。
1.1 Power +集成电路
Power+集成电路是单片功率DMOS器件，可分为三大类：Power+ Logic-集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片、传感器接口与Power+Control（控制）。其Power+Logic与传感器接口均属为低功率 (Low power)，而Power+Control（控制）属高功率 (High power)。
低功率(Low power)有二类：其一为Power+Logic，包括集成控制逻辑和FETs、8位可寻址锁存器、8通道D触发器、8位移位寄存器；其二为传感器接口，包括爆震传感器接口、集成功率控制器、6通道串联低端控制器。
高功率(High power) 有三类：其一为电机控制器，包括智能H桥、3相DC无刷电机的数字控制环路、DC有刷电机控制器；其二为串-并行控制器，包括4通道高端串行/并行控制器、4通道与6通道串联低端串行/并行控制器；其三为集成功率控制器-6通道低端串行控制器，例如专用车门功率芯片TLE8201。
1.2 专用车门功率芯片TLE8201特征与功能
它有完备的保护及诊断功能，优化系统成本。其TLE8201功能示意图如图1(a)所示。TLE8201芯片的应用介绍如下。
(1) TLE 8201—车门模块功率IC后视镜驱动。
三个半桥用于后视镜定位：通态电阻2Х4004Х800毫欧／开关；有保证的尖峰电流3A/1.25A（最小过流关断电流）；最小负载电流40mA（最大开路检测电流）。
(2)高边开关用于后视镜除霜。通态电阻100毫欧；有保证的尖峰电流6.25A（最小过流关断电流）；最小负载电流200mA（最大开路检测电流）；电流检测功能，电流感应比率为1：1000。
(3)中央门锁驱动和后视镜折叠驱动，如图1(b)所示。
H桥用于驱动中央门锁电机：通态电阻150毫欧/开关；有保证的峰值电流8A（最小过流关断电流）；最小负载电流200mA（最大开路检测电流）。
半桥用于驱动后视镜折叠电机：通态电阻400毫欧/开关；有保证的峰值电流3（最小过流关断电流）最小负载电流40mA（最大开路检测电流）。
三个半桥的高边开关带有电流检测功能，感应比率为1：2000/1：1000。
(4)照明驱动，如图1(c)所示。
高边开关用于驱动5W~10W车灯：500毫欧/开关；短路限流3A；最优化的过流关断以使车灯能够正常启动（高启动电流）；每个通道都有独立的诊断功能；关断状态下进行开路检测，LED应用中关断上流电流；直接PWM输入。
集成的DMOS驱动器，提供了低成本的备选解决方案；能驱动多种负载，减小PCB面积；减少组件数量，提高系统可靠性；为ESD（静电释放）敏感型应用提供输入瞬变保护；具有板上诊断，可实现更好的故障隔离与更短的停机时间；内置输出箝位二极管，满足高感性开关驱动；短路与电流限制保护。
在动力系统当中，功率器件控制喷嘴，氧传感器加热器，点火装置，风扇以及各种各样的继电器等等。如今己有一个非常全的产品系列闻世，它们能够被运用于驱动这些负载。从2通道到18通道的低端多通道开关，驱动能力从50mA到10A，基于客户不同的需求，总是可以在这个标准产品系列中选取合适的产品。在这个产品系列中，具有良好的模块性、可扩展性、灵活性及兼容性。
2 汽车动力系统提出了新的挑战
这种挑战在动力系统结构、控制战略方面都产生了很深刻的影响。体现在汽车功率半导体上，系统需要高集成度的产品。由于小型汽车特殊性，为集成多种功率芯片功能于一个芯片当中提供了可能。这样做可以使系统结构紧凑，可靠性增强，相应的系统成本也会大幅的降低。当然，这样的系统对于系统的散热处理，芯片的封装技术等方面提出了更加严格的要求。
BCD技术同时具有DMOS，CMOS，Bipoiar结构，使基于BCD的产品可以集成复杂的控制功能，这对动力系统的功能模块划分产生了影响。越来越多地功能在系统功能模块划分中被转移到功率器件当中。以前很多功能需要专用芯片来完成，或者需要占用很多微处理器资源，现在都被集成在功率器件当中。比如在汽油直喷系统中，系统需要一个Peak and Hold的功能，这个功能就能够由基于BCD技术的功率半导体芯片非常有效的实现。智能功率半导体芯片还集成了保护和诊断功能，可以自动诊断短路、过流、过温、开路等错误，并且可以对这些错误状态做出相应的处理。比如说过温过流情况下的自动关断，这些诊断信息经过编码后，还可以通过串行通信接口和微处理器进行通信。
2.1 集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片
Power+ Logic系列-集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片，该系列器件具有8个通道集成控制逻辑与低端功率MOSFET输出：TPIC6x259型8位可寻址锁存器；TPIC6x273型8通道D触发器；TPIC6x595/6型8位移位寄存器。
尽管该系列提供了三种不同的内部逻辑结构，但这些器件都具有相同的输出和驱动结构，见图2所示。
从图2可见，每种器件都有8个功率DMOS（DrainMOS-漏极MOS）输出，并内置箝位电路（由稳压二极管构成）。该电路使得输出无需外部缓冲器(snubber)电路，系统即可吸收开关管的雪崩击穿能量。
Power+ 集成电路特性相同，增加了短路与电流限制保护。
2.2 应用
可用于仪表盘、平视显示器、尾灯。除此之外，还可以在：LED显示屏与招牌(marquee)、仪表盘、自动测试设备、过程控制系统、可编程机床、机器人、电子游戏机、打印机、绘图仪、复印机、传真机、扫描仪等处应用。
3 汽车传感器的广泛应用
最初传感器在汽车引擎控制里的应用是引擎点火器的控制，系统基于负载和转速来决定点火角度和点火时间。通过这种技术实现的点火控制很简单，已经远远不能适应今天越来越严格的油耗、排放以及动力性能的要求。在现代的系统中，除了负载、转速信号传感器以外，引擎温度、进气管温度、进气量、节气阀位置、氧传感器信号等都必须被采集和处理。只有采集了这些信号，并对这些信号进行处理，引擎控制系统才能准确掌握引擎的状态，从而完成准确的控制。相比于被动传感器来说，半导体传感器拥有高准确度、高抗干扰性能和很好的耐久性能等优点。因而，半导体传感器在汽车领域里逐渐取代被动传感器，得到了越来越广泛的应用。
半导体传感器不仅具有感知部件，还往往集成了很多别的功能，比如信号的预处理、诊断以及信号接门处理等等。其集成压力和电磁传感器件，已经在汽车动力系统中无数次的被应用于测量进气压力、大气压力、传动转速、爆震检测、节气门位置检测、油门位子检测等等。
3.1 爆震传感器接口IC-TPIC8107
TPIC81017是双通道信号处理元件（见图3所示的TPIC8107内部组成框图），主要用来检测引擎的过早爆燃。
两个传感器通道可通过SPI总线进行选择。爆震检测器输出的电气信号输入放大器，可编程带通滤波器对该信号进行处理，取出所要的频率（引擎的爆震或砰声讯号）。带通滤波器消除了与燃烧相关的引擎背景噪声，从而最大程度减少错误触发，实现精确的计时控制。
该器件具有全波校正功能，可集成检测到的信号或保持信号以便采集。为实现更高的系统灵活性，信号处理通道提供：可编程的增益，最大64个值，范围从0.111到2.0；可编程的带通滤波器，有两个增益且中心频率范围在1.22kHz至19.98kHz之间；可编程的积分器时间常量，最大32个值，从40秒至600秒。TPIC8101经专门设计，作为引擎声音传感器或加速度传感器与汽油发动机管理系统之间的模拟接口。两个宽带放大器处理来自压电传感器的信号。
3.2 特性
具有双通道爆震传感器接口；可与微处理器相连的串行接口(SPI)；具有可编程的增益与可编程的带通滤波器中心频率及可编程的积分器时间常量；其外部时钟频率，最高达24MHz。
3.3 应用
引擎爆震信号检测处理。除此之外，还可以作带有滤波器特点的模拟信号处理。
4 新型开关式降压转换器在汽车中的应用
电源产品尤其是开关式降压转换器是该模拟技术中的重要部分。
(1)问题的产生
在汽车应用中必须使用开关式转换器。因汽车电池输入电压范围，必须至少从6V到高达40V，这是由于在汽车应用中，电池电压范围是由充电状态、温度和工作状态等决定的，标称工作输入电压可能在大约8V和16V之间变化。更大的极端和宽广工作条件使这个范围更大：例如冷车发动阶段，汽车必须在低温条件下启动，可造成电池电压下降低至6V。此外，在相反的方向，由于负载突降或尖峰，电路必须能够支持高达40V的输入电压，以防止过压损坏。为此，汽车应用中，输入电压范围必须至少是从6V到高达40V。而在汽车应用中的一个重要特征是系统的效率。提高效率必须用低静态电流的开关式转换器，这是由于开关式转换器通常有较高的消耗。当汽车引擎工作和电池充电时，没有问题。—旦引擎断开和汽车停下，—些系统一直在供电（例如存储器、警报、时钟等等），而电池开始放电。由于这个原因需低静态电流。
(1)解决方案1
超宽输入电压范围DC/DC开关稳压器ISL8540/60，是高压应用较理想之选择。
其宽输入电压范围可支持38V、48V及72V应用，即VIN为9V-75V；可编程输出电压2A连续IOUT，即VOUT为1.2V-55V。
关键特性：可调开关频率（100kHz至600kHz）实现高功效，并允许采用更小的外部BOM元件；外部同步功能降低EMI，并因此降低了对输入滤波器的迫切需求；过
汽车电子的发展总是和半导体技术的进步密不可分，半导体技术正在引领我们走向汽车设计新时代，应用于现代汽车中的半导体技术和产品正在迅速增加，汽车电子技术应用正在向纵深发展。汽车动力系统作为汽车电子最重要的核心系统之一，半导体技术更是起到非常重要的作用。近年来，从微处理器，传感器和汽车功率器件等方面在汽车动力系统中得到广泛应用。值此，就汽车功率器件的特性技术与应用，以及发展作介绍。
今天应用于汽车动力系统中的功率器件大都基于BCD技术(Bipolar CMOS DMOS)，这种技术不仅有能够驱动大电流的DMOS结构，还可以集成复杂的逻辑和控制功能，比如过流、过温保护、诊断功能、准确的电流控制等等。这些功能明显的加强了系统的可靠性，同时为OBD提供了很大的方便。越来越多的功能被集成在功率器件里，这也有效的优化了系统结构，进一步节省了系统的成本。虽然越来越多的智能芯片被运用于系统当中，分立元件以其特有的优势依然常常被应用于动力系统当中，尤其是对于功率损耗特别大的应用，比如柴油喷射系统中。
值此，先例举混合信号功率与控制系列器件特性技术作分析。
1 混合信号功率与控制系列器件特性
混合信号功率与控制系列器件主要指新型负载驱动接口电路。这是由于为了满足各种负载要求，需要提供完整的功率接口电路芯片糸列。该芯片糸列的产品是采用混合信号处理技术，它能为设计人员提供灵活的架构以及功率驱动性能以满足特定的需求。
其Power+集成电路是单片功率DMOS器件，在表面贴片的封装中集成多个晶体管。该类器件包括板级控制逻辑、ESD保护、缓冲器电路、诊断功能以及故障检测等。
Power+产品能满足多种功率开关应用（包括驱动分马力电机、螺线管、电磁阀、继电器、LED以及白炽灯等），它为分立式功率MOSFET与混合电路设计提供了优秀的备选解决方案。
1.1 Power +集成电路
Power+集成电路是单片功率DMOS器件，可分为三大类：Power+ Logic-集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片、传感器接口与Power+Control（控制）。其Power+Logic与传感器接口均属为低功率 (Low power)，而Power+Control（控制）属高功率 (High power)。
低功率(Low power)有二类：其一为Power+Logic，包括集成控制逻辑和FETs、8位可寻址锁存器、8通道D触发器、8位移位寄存器；其二为传感器接口，包括爆震传感器接口、集成功率控制器、6通道串联低端控制器。
高功率(High power) 有三类：其一为电机控制器，包括智能H桥、3相DC无刷电机的数字控制环路、DC有刷电机控制器；其二为串-并行控制器，包括4通道高端串行/并行控制器、4通道与6通道串联低端串行/并行控制器；其三为集成功率控制器-6通道低端串行控制器，例如专用车门功率芯片TLE8201。
1.2 专用车门功率芯片TLE8201特征与功能
它有完备的保护及诊断功能，优化系统成本。其TLE8201功能示意图如图1(a)所示。TLE8201芯片的应用介绍如下。
(1) TLE 8201—车门模块功率IC后视镜驱动。
三个半桥用于后视镜定位：通态电阻2Х4004Х800毫欧／开关；有保证的尖峰电流3A/1.25A（最小过流关断电流）；最小负载电流40mA（最大开路检测电流）。
(2)高边开关用于后视镜除霜。通态电阻100毫欧；有保证的尖峰电流6.25A（最小过流关断电流）；最小负载电流200mA（最大开路检测电流）；电流检测功能，电流感应比率为1：1000。
(3)中央门锁驱动和后视镜折叠驱动，如图1(b)所示。
H桥用于驱动中央门锁电机：通态电阻150毫欧/开关；有保证的峰值电流8A（最小过流关断电流）；最小负载电流200mA（最大开路检测电流）。
半桥用于驱动后视镜折叠电机：通态电阻400毫欧/开关；有保证的峰值电流3（最小过流关断电流）最小负载电流40mA（最大开路检测电流）。
三个半桥的高边开关带有电流检测功能，感应比率为1：2000/1：1000。
(4)照明驱动，如图1(c)所示。
高边开关用于驱动5W~10W车灯：500毫欧/开关；短路限流3A；最优化的过流关断以使车灯能够正常启动（高启动电流）；每个通道都有独立的诊断功能；关断状态下进行开路检测，LED应用中关断上流电流；直接PWM输入。
集成的DMOS驱动器，提供了低成本的备选解决方案；能驱动多种负载，减小PCB面积；减少组件数量，提高系统可靠性；为ESD（静电释放）敏感型应用提供输入瞬变保护；具有板上诊断，可实现更好的故障隔离与更短的停机时间；内置输出箝位二极管，满足高感性开关驱动；短路与电流限制保护。
在动力系统当中，功率器件控制喷嘴，氧传感器加热器，点火装置，风扇以及各种各样的继电器等等。如今己有一个非常全的产品系列闻世，它们能够被运用于驱动这些负载。从2通道到18通道的低端多通道开关，驱动能力从50mA到10A，基于客户不同的需求，总是可以在这个标准产品系列中选取合适的产品。在这个产品系列中，具有良好的模块性、可扩展性、灵活性及兼容性。
2 汽车动力系统提出了新的挑战
这种挑战在动力系统结构、控制战略方面都产生了很深刻的影响。体现在汽车功率半导体上，系统需要高集成度的产品。由于小型汽车特殊性，为集成多种功率芯片功能于一个芯片当中提供了可能。这样做可以使系统结构紧凑，可靠性增强，相应的系统成本也会大幅的降低。当然，这样的系统对于系统的散热处理，芯片的封装技术等方面提出了更加严格的要求。
BCD技术同时具有DMOS，CMOS，Bipoiar结构，使基于BCD的产品可以集成复杂的控制功能，这对动力系统的功能模块划分产生了影响。越来越多地功能在系统功能模块划分中被转移到功率器件当中。以前很多功能需要专用芯片来完成，或者需要占用很多微处理器资源，现在都被集成在功率器件当中。比如在汽油直喷系统中，系统需要一个Peak and Hold的功能，这个功能就能够由基于BCD技术的功率半导体芯片非常有效的实现。智能功率半导体芯片还集成了保护和诊断功能，可以自动诊断短路、过流、过温、开路等错误，并且可以对这些错误状态做出相应的处理。比如说过温过流情况下的自动关断，这些诊断信息经过编码后，还可以通过串行通信接口和微处理器进行通信。
2.1 集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片
Power+ Logic系列-集成功率驱动器的板级控制逻辑芯片，该系列器件具有8个通道集成控制逻辑与低端功率MOSFET输出：TPIC6x259型8位可寻址锁存器；TPIC6x273型8通道D触发器；TPIC6x595/6型8位移位寄存器。
尽管该系列提供了三种不同的内部逻辑结构，但这些器件都具有相同的输出和驱动结构，见图2所示。
从图2可见，每种器件都有8个功率DMOS（DrainMOS-漏极MOS）输出，并内置箝位电路（由稳压二极管构成）。该电路使得输出无需外部缓冲器(snubber)电路，系统即可吸收开关管的雪崩击穿能量。
Power+ 集成电路特性相同，增加了短路与电流限制保护。
2.2 应用
可用于仪表盘、平视显示器、尾灯。除此之外，还可以在：LED显示屏与招牌(marquee)、仪表盘、自动测试设备、过程控制系统、可编程机床、机器人、电子游戏机、打印机、绘图仪、复印机、传真机、扫描仪等处应用。
3 汽车传感器的广泛应用
最初传感器在汽车引擎控制里的应用是引擎点火器的控制，系统基于负载和转速来决定点火角度和点火时间。通过这种技术实现的点火控制很简单，已经远远不能适应今天越来越严格的油耗、排放以及动力性能的要求。在现代的系统中，除了负载、转速信号传感器以外，引擎温度、进气管温度、进气量、节气阀位置、氧传感器信号等都必须被采集和处理。只有采集了这些信号，并对这些信号进行处理，引擎控制系统才能准确掌握引擎的状态，从而完成准确的控制。相比于被动传感器来说，半导体传感器拥有高准确度、高抗干扰性能和很好的耐久性能等优点。因而，半导体传感器在汽车领域里逐渐取代被动传感器，得到了越来越广泛的应用。
半导体传感器不仅具有感知部件，还往往集成了很多别的功能，比如信号的预处理、诊断以及信号接门处理等等。其集成压力和电磁传感器件，已经在汽车动力系统中无数次的被应用于测量进气压力、大气压力、传动转速、爆震检测、节气门位置检测、油门位子检测等等。
3.1 爆震传感器接口IC-TPIC8107
TPIC81017是双通道信号处理元件（见图3所示的TPIC8107内部组成框图），主要用来检测引擎的过早爆燃。
两个传感器通道可通过SPI总线进行选择。爆震检测器输出的电气信号输入放大器，可编程带通滤波器对该信号进行处理，取出所要的频率（引擎的爆震或砰声讯号）。带通滤波器消除了与燃烧相关的引擎背景噪声，从而最大程度减少错误触发，实现精确的计时控制。
该器件具有全波校正功能，可集成检测到的信号或保持信号以便采集。为实现更高的系统灵活性，信号处理通道提供：可编程的增益，最大64个值，范围从0.111到2.0；可编程的带通滤波器，有两个增益且中心频率范围在1.22kHz至19.98kHz之间；可编程的积分器时间常量，最大32个值，从40秒至600秒。TPIC8101经专门设计，作为引擎声音传感器或加速度传感器与汽油发动机管理系统之间的模拟接口。两个宽带放大器处理来自压电传感器的信号。
3.2 特性
具有双通道爆震传感器接口；可与微处理器相连的串行接口(SPI)；具有可编程的增益与可编程的带通滤波器中心频率及可编程的积分器时间常量；其外部时钟频率，最高达24MHz。
3.3 应用
引擎爆震信号检测处理。除此之外，还可以作带有滤波器特点的模拟信号处理。
4 新型开关式降压转换器在汽车中的应用
电源产品尤其是开关式降压转换器是该模拟技术中的重要部分。
(1)问题的产生
在汽车应用中必须使用开关式转换器。因汽车电池输入电压范围，必须至少从6V到高达40V，这是由于在汽车应用中，电池电压范围是由充电状态、温度和工作状态等决定的，标称工作输入电压可能在大约8V和16V之间变化。更大的极端和宽广工作条件使这个范围更大：例如冷车发动阶段，汽车必须在低温条件下启动，可造成电池电压下降低至6V。此外，在相反的方向，由于负载突降或尖峰，电路必须能够支持高达40V的输入电压，以防止过压损坏。为此，汽车应用中，输入电压范围必须至少是从6V到高达40V。而在汽车应用中的一个重要特征是系统的效率。提高效率必须用低静态电流的开关式转换器，这是由于开关式转换器通常有较高的消耗。当汽车引擎工作和电池充电时，没有问题。—旦引擎断开和汽车停下，—些系统一直在供电（例如存储器、警报、时钟等等），而电池开始放电。由于这个原因需低静态电流。
(1)解决方案1
超宽输入电压范围DC/DC开关稳压器ISL8540/60，是高压应用较理想之选择。
其宽输入电压范围可支持38V、48V及72V应用，即VIN为9V-75V；可编程输出电压2A连续IOUT，即VOUT为1.2V-55V。
关键特性：可调开关频率（100kHz至600kHz）实现高功效，并允许采用更小的外部BOM元件；外部同步功能降低EMI，并因此降低了对输入滤波器的迫切需求；过
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