鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2021年06月07日
一場汽車電源IC集成化的爭奪戰：單器件硬實力是入場券
實際上，不僅單一器件逐漸模塊化，整體架構也正從分布式架構趨向集成架構。這是因為電源運作并非依賴單一器件，產品中會擁有多種功能芯片管理不同電源區域，也會擁有多種不同類型的管理芯片。
其實從TI（德州儀器）此前公布的產品就可窺探出，其在方法上時常強調整體性，這是因為TI不僅擁有廣度極高的產品線，也擁有最佳的產品組合方法。
實際上，TI現在已從簡單的機械多合一轉向為更高層次的控制級整合甚至功率級整合。日前公布的面向電動汽車的動力總成集成解決方法，就實現了50%的系統尺寸和成本的降低。
“各國政府正在政策方面持續推動電動汽車發展，數據顯示2020年我國電動汽車銷量達到136萬輛，創造歷史新高。預計到2025年，電動汽車銷量將達到500萬量，占整個乘用車的20%”，德州儀器我國區汽車業務部現場技術應用經理周東寶如是說。
周東寶表示，在高漲下電池的安全性、充電的便捷度、續航里程數、相比燃油車的成本都成了新能源汽車普及的一座大山。在此背景之下，為降低電動汽車成本、提高普及率，TI走了動力總成集成的路。
利用多合一的動力總成集成系統，不僅能夠提高功率密度、新增可靠性、優化成本，還可以使系統具備標準化和模塊化能力，設計和組裝更簡易。當然，集成也不是簡單的“放到一個鍋里煮”，也是分難易度的，越難越徹底的集成獲得的縮減尺寸和成本效果越好，但關于電源管理IC公司來說設計難度也會直線新增。
目前市場上存在兩種動力總成集成方式，一種偏向于物理集成，即從物理上將器件放在一個盒內，利用接插件共用的概念，一般是通過共享器件間外殼和冷卻系統實現集成；另一種偏向于控制級和功率級整合，在物理集成基礎上，通過共享控制電路及功率電路和磁性整合實現更好的尺寸和成本，當然這樣也會帶來更加復雜的控制算法。
動力總成集成也擁有多種組合方式，根據周東寶的介紹，傳統的動力傳動系統包括電機控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、電源管理系統（BMS）等。根據不同的集成模塊數量，分為二合一的方法、三合一的方法、五合一的方法幾種不同的組合。
TI供應的是電機控制器、車載充電器和DC/DC的三合一的解決方法，從直觀的架構圖比較來看，這種三合一的解決方法可以大幅度地優化整個系統的架構，通過共享部分的控制電路降低了整個驅動成本的重量和體積。
而這種集成是更復雜的控制邏輯和功率層級方面的集成。一方面，通過共享外殼的耦合以及冷卻系統，減少連接器的數量；另一方面，通過更進一步的共享控制電路以及共享功率電路等，有效地降低電驅動系統的體積、重量和成本，同時提高電驅動系統的功率密度。
“我們預計集成化的方法可以幫助整個系統的尺寸降低50%，成本降低一半，并且實現了業界超高的功率密度和98%的系統效率”，周東寶為此解釋，除了上述集成，TI還在整體上對系統進行熱性能的優化，簡化ASILD合規性認證，保證系統的可靠性和安全性。
“通過使用TI的解決方法，客戶可實現從分布式的電源架構到單個動力域的控制器方法的轉變。整個系統的復雜程度也會隨著整合級別的新增而提高，對客戶的收益也會越來越高，但同時挑戰也會越來越多。針對這些設計上的挑戰，TI也會協助客戶一起來解決”，周東寶這樣為記者解釋。
周東寶為記者展示了TI其中的一款動力總成集成解決方法，方法中搭載C2000微控制器、最新的GaNFET、隔離驅動器UCC5870、溫度傳感器TMp126，通過4個產品的有機結合，不僅在單獨器件上擁有最佳的性能，也實現了整體超高的功率密度和98%的效率，將系統成本和尺寸減半。
根據他的介紹，C2000能夠供應高達925MIpS的性能，能夠輕松勝任各種復雜電源拓撲和高階的控制算法，從而實現更高pWM系統效率。內置豐富的模擬功能模塊，可實現低至30ns以內的響應時間。擁有高即時指令集，再結合氮化鎵和碳化硅器件的高開關頻率和低開關損耗的特點，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個系統的效率，從而也提高了整個系統的功率密度。
GaNFET能以高達2.2MHz的開關頻率進行工作，并保持非常低的開關損耗。TI定制開發的低寄生電感和增強散熱型的切片式的封裝，可實現兩倍的功率密度的提升，磁性元器件減小59%。其內置的數字溫度的采樣功能可以供應實時的溫度信息，從而可以更靈活地去實現動態系統的熱管理，同時內置的短路和過流保護的電路可在低至100ns的時間來響應，從而也提高了系統的可靠性。利用該器件相比于現有的硅和基于碳化硅的MOSET方法，預計可使車載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%。
隔離驅動器UCC5870系列可供應高達15A的峰值電流的驅動能力，這意味著客戶不再要額外的功率放大電路。器件可在200ns進行短路保護，共模抑制比做到了業界領先的150V/ns。其峰值電流能力高達15A，可滿足大多數MOSET和IGBT驅動的需求。內置六通道隔離采樣ADC，可用于溫度的采集、電壓的采集，幫助客戶減少了額外分立的隔離ADC的成本。同時，還內置了超過50多種功能安全相關的機制。
溫度傳感器TMp126可在150°C的環境溫度下工作，其采樣精度高達±0.3度。越高的溫度傳感器精度，越可幫助客戶在設計整個系統的時留有更小的設計余量。與此同時，在做系統動態溫度補償時，高精度也有助于最大化提高系統效率。器件可在全溫度范圍下（-40到+175度整個溫度范圍）保持非常高的精度。相比分立產品，溫飄幾乎可以忽略不計。數字接口內置的循環冗余校驗功能，也能確保在高噪聲的電磁環境下能夠可靠地進行通訊。產品還可借助超小的引線式SpI溫度傳感器縮減尺寸。
記者認為，TI的動力總成集成中的單器件均為明星單品，正因為擁有整車各方面電源管理IC和單器件實力，才有資格進一步整合整體方法。單器件固有的優異屬性不僅能放在體積更小的整體方法中發揮，分布式方法關于公司無疑也會新增設計成本、穩定性測試成本、安全測試成本等各種隱性成本。
另據德州儀器EV/HEVSEM團隊成員TüVSüD認證功能安全工程師曹偉杰的解釋，TI會考慮到系統整體的性能要求，而不是單單地把各個芯片簡單地組合到一起。這包括了怎么選拓撲、怎么選控制策略，TI會兼顧整體的EMI、靜態電流、功率密度、噪聲精度、隔離性能，所有性能參數。
實際上，汽車電子也存在這種逐漸整合的現象，許多Tier1系統制造商逐漸將這數百個ECU整合為幾個DCU（域控制器），未來ECU的趨勢就是進一步整合，從分布式變為集成化。反觀整個電子行業，其實就是一部微縮化和集成化的簡史。因此，能夠預見TI的動力總成集成必能掀起電源管理IC的新浪潮。
雖然介紹諸多優勢，但實際構建這樣的動力總成集成并非易事。曹偉杰坦言，當今汽車行業面對的最大挑戰之一是如何滿足排放法規，同時生產出價格可承受且制造利潤可觀的電動汽車。在此級別進行集成是一個新概念，因此自然可以預見其學習曲線。
他表示，為了使性能最大化，必須仔細設計磁集成。與此同時，集成系統要高性能的MCU和實時子系統，控制算法將更加復雜。除此之外，還要一種高效的冷卻系統，以在較小系統中進行散熱。
“功率級整合帶來的復雜性，意味著要同時集成控制算法以及擁有高性能MCU和實時子系統要求的硬件，這正是TI可以供應給客戶的方法”，曹偉杰如是說。
談及市場方面，曹偉杰認為，半導體公司、整車廠、Tier1還有市場是相輔相成的假如市場變化越來越快，可能以后走向域控制器這樣更高的集成度，對MCU的性能要求會越來越高，隨之而來的是半導體公司必須要供應更強大的MCU。所以，他認為市場的發展之下，會加速相關產品的上市和推出時間。
而在客戶將TI逐漸導入方法和設計時，曹偉杰認為他們會尋找使電動汽車生產更具盈利性且使購買價格更實惠的方法，這是因為OEM要遵守全球排放法規。而動力總成系統是電動汽車中最昂貴的部分，通過結合關鍵系統，汽車制造商可以整合零件以降低設計成本和重量。除其他優點外，更少的零件可使電動汽車輕量化，從而延長行駛里程、降低成本并提高可靠性（易受損的零件更少）。
在合作方面，曹偉杰告訴記者，TI無論是和上游的廠商或者是下游的廠商，會與客戶合作并根據要求供應合適的解決方法。在供應系統解決方法的過程當中，相應的一些設計或者是控制策略都會有相應的解決。
作為TI的合作伙伴，深圳威邁斯新能源股份有限公司副總裁兼上海子公司總經理韓永杰認為，目前新能源汽車明顯圍繞著性能和成本發展，威邁斯的OBC和DC/DC也采取了控制級和功率級的集成方式，通過與TI的C2000和UCC5870-Q1的深度合作，制造了功率密度大、體積更小、成本下降明顯的產品。
“從未來的趨勢來講，整個動力系統應該是要趨向于集成。目前可能僅在OBC、DC/DC和pDU集成的方法，但從未來發展來講，實際上還要進一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們在應用這一塊也與TI做深度合作，尤其是C2000和UCC5870驅動芯片，應用在我們的產品上”，韓永杰這樣說。
通過觀察整個電源管理IC行業的動作，公司越來越趨向高度集成化的方法，集成、整合、模塊、系統成為充斥近幾年的關鍵詞。TI作為早在很久以前就提出各種整體方法，彼時就為動力總成集成埋下伏筆，唯有擁有單器件優勢和廣闊產品線才有資格進行這種整合。產品的推出勢將拉開汽車電源管理IC的高度集成化發展的序幕與未來的市場爭端戰。
