一場(chǎng)汽車電源IC集成化的爭(zhēng)奪戰(zhàn)：?jiǎn)纹骷矊?shí)力是入場(chǎng)券

縱觀電源管理IC行業(yè)，逐漸從分立到模塊，這是因?yàn)槟K化產(chǎn)品顯然在功率密度、體積、功耗、成本和穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢(shì)，一個(gè)小小的模塊中飽含著一個(gè)企業(yè)多年耕耘的精益技術(shù)。

實(shí)際上，不僅單一器件逐漸模塊化，整體架構(gòu)也正從分布式架構(gòu)趨向集成架構(gòu)。這是因?yàn)殡娫催\(yùn)作并非依賴單一器件，產(chǎn)品中會(huì)擁有多種功能芯片管理不同電源區(qū)域，也會(huì)擁有多種不同類型的管理芯片。

其實(shí)從TI（德州儀器）此前發(fā)布的產(chǎn)品就可窺探出，其在方案上時(shí)常強(qiáng)調(diào)整體性，這是因?yàn)門I不僅擁有廣度極高的產(chǎn)品線，也擁有極佳的產(chǎn)品組合方案。

實(shí)際上，TI現(xiàn)在已從簡(jiǎn)單的機(jī)械多合一轉(zhuǎn)向?yàn)楦邔哟蔚目刂萍?jí)整合甚至功率級(jí)整合。日前發(fā)布的面向電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成集成解決方案，就實(shí)現(xiàn)了50%的系統(tǒng)尺寸和成本的降低。

動(dòng)力總成集成擁有降低成本和體積的魔力

“各國(guó)政府正在政策方面持續(xù)推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示2020年中國(guó)電動(dòng)汽車銷量達(dá)到136萬(wàn)輛，創(chuàng)造歷史新高。預(yù)計(jì)到2025年，電動(dòng)汽車銷量將達(dá)到500萬(wàn)量，占整個(gè)乘用車的20%”，德州儀器中國(guó)區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶如是說(shuō)。

周東寶表示，在高漲下電池的安全性、充電的便捷度、續(xù)航里程數(shù)、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(dòng)汽車成本、提高普及率，TI走了動(dòng)力總成集成的路。

利用多合一的動(dòng)力總成集成系統(tǒng)，不僅能夠提高功率密度、增加可靠性、優(yōu)化成本，還可以使系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化能力，設(shè)計(jì)和組裝更簡(jiǎn)易。當(dāng)然，集成也不是簡(jiǎn)單的“放到一個(gè)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，但對(duì)于電源管理IC企業(yè)來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)難度也會(huì)直線增加。

目前市場(chǎng)上存在兩種動(dòng)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(gè)盒內(nèi)，利用接插件共用的概念，一般是通過(guò)共享器件間外殼和冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成；另一種偏向于控制級(jí)和功率級(jí)整合，在物理集成基礎(chǔ)上，通過(guò)共享控制電路及功率電路和磁性整合實(shí)現(xiàn)更好的尺寸和成本，當(dāng)然這樣也會(huì)帶來(lái)更加復(fù)雜的控制算法。

動(dòng)力總成集成也擁有多種組合方式，根據(jù)周東寶的介紹，傳統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、電源管理系統(tǒng)（BMS）等。根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，分為二合一的方案、三合一的方案、五合一的方案幾種不同的組合。

提供復(fù)雜的控制級(jí)和功率級(jí)集成

TI提供的是電機(jī)控制器、車載充電器和DC/DC的三合一的解決方案，從直觀的架構(gòu)圖對(duì)比來(lái)看，這種三合一的解決方案可以大幅度地優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，通過(guò)共享部分的控制電路降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)成本的重量和體積。

而這種集成是更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級(jí)方面的集成。一方面，通過(guò)共享外殼的耦合以及冷卻系統(tǒng)，減少連接器的數(shù)量；另一方面，通過(guò)更進(jìn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時(shí)提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度。

“我們預(yù)計(jì)集成化的方案可以幫助整個(gè)系統(tǒng)的尺寸降低50%，成本降低一半，并且實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超高的功率密度和98%的系統(tǒng)效率”，周東寶為此解釋，除了上述集成，TI還在整體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱性能的優(yōu)化，簡(jiǎn)化ASIL D合規(guī)性認(rèn)證，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

“通過(guò)使用TI的解決方案，客戶可實(shí)現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個(gè)動(dòng)力域的控制器方案的轉(zhuǎn)變。整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)隨著整合級(jí)別的增加而提高，對(duì)客戶的收益也會(huì)越來(lái)越高，但同時(shí)挑戰(zhàn)也會(huì)越來(lái)越多。針對(duì)這些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，TI也會(huì)協(xié)助客戶一起來(lái)解決”，周東寶這樣為記者解釋。

明星單品加持之下的整體方案

周東寶為記者展示了TI其中的一款動(dòng)力總成集成解決方案，方案中搭載C2000微控制器、最新的GaN FET、隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870、溫度傳感器TMP126，通過(guò)4個(gè)產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合，不僅在單獨(dú)器件上擁有極佳的性能，也實(shí)現(xiàn)了整體超高的功率密度和98%的效率，將系統(tǒng)成本和尺寸減半。

根據(jù)他的介紹，C2000能夠提供高達(dá)925MIPS的性能，能夠輕松勝任各種復(fù)雜電源拓?fù)浜透唠A的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)更高PWM系統(tǒng)效率。內(nèi)置豐富的模擬功能模塊，可實(shí)現(xiàn)低至30ns以內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間。擁有高即時(shí)指令集，再結(jié)合氮化鎵和碳化硅器件的高開關(guān)頻率和低開關(guān)損耗的特征，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而也提高了整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。

GaN FET能以高達(dá)2.2MHz的開關(guān)頻率進(jìn)行工作，并保持非常低的開關(guān)損耗。TI定制開發(fā)的低寄生電感和增強(qiáng)散熱型的切片式的封裝，可實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度的提升，磁性元器件減小59%。其內(nèi)置的數(shù)字溫度的采樣功能可以提供實(shí)時(shí)的溫度信息，從而可以更靈活地去實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的熱管理，同時(shí)內(nèi)置的短路和過(guò)流保護(hù)的電路可在低至100ns的時(shí)間來(lái)響應(yīng)，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。利用該器件相比于現(xiàn)有的硅和基于碳化硅的MOSET方案，預(yù)計(jì)可使車載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%。

隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列可提供高達(dá)15A的峰值電流的驅(qū)動(dòng)能力，這意味著客戶不再需要額外的功率放大電路。器件可在200ns進(jìn)行短路保護(hù)，共模抑制比做到了業(yè)界領(lǐng)先的150V/ns。其峰值電流能力高達(dá)15A，可滿足大多數(shù)MOSET和IGBT驅(qū)動(dòng)的需求。內(nèi)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(shí)，還內(nèi)置了超過(guò)50多種功能安全相關(guān)的機(jī)制。

溫度傳感器TMP126可在150°C的環(huán)境溫度下工作，其采樣精度高達(dá)±0.3度。越高的溫度傳感器精度，越可幫助客戶在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)留有更小的設(shè)計(jì)余量。與此同時(shí)，在做系統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償時(shí)，高精度也有助于最大化提高系統(tǒng)效率。器件可在全溫度范圍下（-40到+175度整個(gè)溫度范圍）保持非常高的精度。相比分立產(chǎn)品，溫飄幾乎可以忽略不計(jì)。數(shù)字接口內(nèi)置的循環(huán)冗余校驗(yàn)功能，也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠可靠地進(jìn)行通訊。產(chǎn)品還可借助超小的引線式SPI溫度傳感器縮減尺寸。

記者認(rèn)為，TI的動(dòng)力總成集成中的單器件均為明星單品，正因?yàn)閾碛姓嚫鞣矫骐娫垂芾鞩C和單器件實(shí)力，才有資格進(jìn)一步整合整體方案。單器件固有的優(yōu)異屬性不僅能放在體積更小的整體方案中發(fā)揮，分布式方案對(duì)于企業(yè)無(wú)疑也會(huì)增加設(shè)計(jì)成本、穩(wěn)定性測(cè)試成本、安全測(cè)試成本等各種隱性成本。

另?yè)?jù)德州儀器EV/HEV SEM團(tuán)隊(duì)成員TüV SüD認(rèn)證功能安全工程師曹偉杰的解釋，TI會(huì)考慮到系統(tǒng)整體的性能要求，而不是單單地把各個(gè)芯片簡(jiǎn)單地組合到一起。這包括了怎么選拓?fù)?、怎么選控制策略，TI會(huì)兼顧整體的EMI、靜態(tài)電流、功率密度、噪聲精度、隔離性能，所有性能參數(shù)。

實(shí)際上，汽車電子也存在這種逐漸整合的現(xiàn)象，許多Tier1系統(tǒng)制造商逐漸將這數(shù)百個(gè)ECU整合為幾個(gè)DCU（域控制器），未來(lái)ECU的趨勢(shì)就是進(jìn)一步整合，從分布式變?yōu)榧苫７从^整個(gè)電子行業(yè)，其實(shí)就是一部微縮化和集成化的簡(jiǎn)史。因此，能夠預(yù)見TI的動(dòng)力總成集成必能掀起電源管理IC的新浪潮。

實(shí)力廠商的集成化市場(chǎng)拼殺將展開

雖然介紹諸多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際構(gòu)建這樣的動(dòng)力總成集成并非易事。曹偉杰坦言，當(dāng)今汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何滿足排放法規(guī)，同時(shí)生產(chǎn)出價(jià)格可承受且制造利潤(rùn)可觀的電動(dòng)汽車。在此級(jí)別進(jìn)行集成是一個(gè)新概念，因此自然可以預(yù)見其學(xué)習(xí)曲線。

他表示，為了使性能最大化，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)磁集成。與此同時(shí)，集成系統(tǒng)需要高性能的MCU和實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，控制算法將更加復(fù)雜。除此之外，還需要一種高效的冷卻系統(tǒng)，以在較小系統(tǒng)中進(jìn)行散熱。

“功率級(jí)整合帶來(lái)的復(fù)雜性，意味著需要同時(shí)集成控制算法以及擁有高性能MCU和實(shí)時(shí)子系統(tǒng)要求的硬件，這正是TI可以提供給客戶的方案”，曹偉杰如是說(shuō)。

談及市場(chǎng)方面，曹偉杰認(rèn)為，半導(dǎo)體公司、整車廠、Tier1還有市場(chǎng)是相輔相成的如果市場(chǎng)變化越來(lái)越快，可能以后走向域控制器這樣更高的集成度，對(duì)MCU的性能要求會(huì)越來(lái)越高，隨之而來(lái)的是半導(dǎo)體公司必須要提供更強(qiáng)大的MCU。所以，他認(rèn)為市場(chǎng)的發(fā)展之下，會(huì)加速相關(guān)產(chǎn)品的上市和推出時(shí)間。

而在客戶將TI逐漸導(dǎo)入方案和設(shè)計(jì)時(shí)，曹偉杰認(rèn)為他們會(huì)尋找使電動(dòng)汽車生產(chǎn)更具盈利性且使購(gòu)買價(jià)格更實(shí)惠的方法，這是因?yàn)镺EM需要遵守全球排放法規(guī)。而動(dòng)力總成系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中最昂貴的部分，通過(guò)結(jié)合關(guān)鍵系統(tǒng)，汽車制造商可以整合零件以降低設(shè)計(jì)成本和重量。除其他優(yōu)點(diǎn)外，更少的零件可使電動(dòng)汽車輕量化，從而延長(zhǎng)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(wú)論是和上游的廠商或者是下游的廠商，會(huì)與客戶合作并根據(jù)要求提供合適的解決方案。在提供系統(tǒng)解決方案的過(guò)程當(dāng)中，相應(yīng)的一些設(shè)計(jì)或者是控制策略都會(huì)有相應(yīng)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(jīng)理韓永杰認(rèn)為，目前新能源汽車明顯圍繞著性能和成本發(fā)展，威邁斯的OBC和DC/DC也采取了控制級(jí)和功率級(jí)的集成方式，通過(guò)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(chǎn)品。

“從未來(lái)的趨勢(shì)來(lái)講，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)該是要趨向于集成。目前可能僅在OBC、DC/DC和PDU集成的方案，但從未來(lái)發(fā)展來(lái)講，實(shí)際上還要進(jìn)一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們?cè)趹?yīng)用這一塊也與TI做深度合作，尤其是C2000和UCC5870驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用在我們的產(chǎn)品上”，韓永杰這樣說(shuō)。

通過(guò)觀察整個(gè)電源管理IC行業(yè)的動(dòng)作，企業(yè)越來(lái)越趨向高度集成化的方案，集成、整合、模塊、系統(tǒng)成為充斥近幾年的關(guān)鍵詞。TI作為早在很久以前就提出各種整體方案，彼時(shí)就為動(dòng)力總成集成埋下伏筆，唯有擁有單器件優(yōu)勢(shì)和廣闊產(chǎn)品線才有資格進(jìn)行這種整合。產(chǎn)品的推出勢(shì)將拉開汽車電源管理IC的高度集成化發(fā)展的序幕與未來(lái)的市場(chǎng)爭(zhēng)端戰(zhàn)。