钜大LARGE | 点击量：808次 | 2021年06月07日
一场汽车电源IC集成化的争夺战：单器件硬实力是入场券
实际上，不仅单一器件逐渐模块化，整体架构也正从分布式架构趋向集成架构。这是因为电源运作并非依赖单一器件，产品中会拥有多种功能芯片管理不同电源区域，也会拥有多种不同类型的管理芯片。
其实从TI（德州仪器）此前公布的产品就可窥探出，其在方法上时常强调整体性，这是因为TI不仅拥有广度极高的产品线，也拥有最佳的产品组合方法。
实际上，TI现在已从简单的机械多合一转向为更高层次的控制级整合甚至功率级整合。日前公布的面向电动汽车的动力总成集成解决方法，就实现了50%的系统尺寸和成本的降低。
“各国政府正在政策方面持续推动电动汽车发展，数据显示2020年我国电动汽车销量达到136万辆，创造历史新高。预计到2025年，电动汽车销量将达到500万量，占整个乘用车的20%”，德州仪器我国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝如是说。
周东宝表示，在高涨下电池的安全性、充电的便捷度、续航里程数、相比燃油车的成本都成了新能源汽车普及的一座大山。在此背景之下，为降低电动汽车成本、提高普及率，TI走了动力总成集成的路。
利用多合一的动力总成集成系统，不仅能够提高功率密度、新增可靠性、优化成本，还可以使系统具备标准化和模块化能力，设计和组装更简易。当然，集成也不是简单的“放到一个锅里煮”，也是分难易度的，越难越彻底的集成获得的缩减尺寸和成本效果越好，但关于电源管理IC公司来说设计难度也会直线新增。
目前市场上存在两种动力总成集成方式，一种偏向于物理集成，即从物理上将器件放在一个盒内，利用接插件共用的概念，一般是通过共享器件间外壳和冷却系统实现集成；另一种偏向于控制级和功率级整合，在物理集成基础上，通过共享控制电路及功率电路和磁性整合实现更好的尺寸和成本，当然这样也会带来更加复杂的控制算法。
动力总成集成也拥有多种组合方式，根据周东宝的介绍，传统的动力传动系统包括电机控制器、高压配电单元、DC/DC、车载充电器、电源管理系统（BMS）等。根据不同的集成模块数量，分为二合一的方法、三合一的方法、五合一的方法几种不同的组合。
TI供应的是电机控制器、车载充电器和DC/DC的三合一的解决方法，从直观的架构图比较来看，这种三合一的解决方法可以大幅度地优化整个系统的架构，通过共享部分的控制电路降低了整个驱动成本的重量和体积。
而这种集成是更复杂的控制逻辑和功率层级方面的集成。一方面，通过共享外壳的耦合以及冷却系统，减少连接器的数量；另一方面，通过更进一步的共享控制电路以及共享功率电路等，有效地降低电驱动系统的体积、重量和成本，同时提高电驱动系统的功率密度。
“我们预计集成化的方法可以帮助整个系统的尺寸降低50%，成本降低一半，并且实现了业界超高的功率密度和98%的系统效率”，周东宝为此解释，除了上述集成，TI还在整体上对系统进行热性能的优化，简化ASILD合规性认证，保证系统的可靠性和安全性。
“通过使用TI的解决方法，客户可实现从分布式的电源架构到单个动力域的控制器方法的转变。整个系统的复杂程度也会随着整合级别的新增而提高，对客户的收益也会越来越高，但同时挑战也会越来越多。针对这些设计上的挑战，TI也会协助客户一起来解决”，周东宝这样为记者解释。
周东宝为记者展示了TI其中的一款动力总成集成解决方法，方法中搭载C2000微控制器、最新的GaNFET、隔离驱动器UCC5870、温度传感器TMp126，通过4个产品的有机结合，不仅在单独器件上拥有最佳的性能，也实现了整体超高的功率密度和98%的效率，将系统成本和尺寸减半。
根据他的介绍，C2000能够供应高达925MIpS的性能，能够轻松胜任各种复杂电源拓扑和高阶的控制算法，从而实现更高pWM系统效率。内置丰富的模拟功能模块，可实现低至30ns以内的响应时间。拥有高即时指令集，再结合氮化镓和碳化硅器件的高开关频率和低开关损耗的特点，可以显著地减少磁性元器件的尺寸，提高整个系统的效率，从而也提高了整个系统的功率密度。
GaNFET能以高达2.2MHz的开关频率进行工作，并保持非常低的开关损耗。TI定制开发的低寄生电感和增强散热型的切片式的封装，可实现两倍的功率密度的提升，磁性元器件减小59%。其内置的数字温度的采样功能可以供应实时的温度信息，从而可以更灵活地去实现动态系统的热管理，同时内置的短路和过流保护的电路可在低至100ns的时间来响应，从而也提高了系统的可靠性。利用该器件相比于现有的硅和基于碳化硅的MOSET方法，预计可使车载充电器和DC/DC的尺寸减少到50%。
隔离驱动器UCC5870系列可供应高达15A的峰值电流的驱动能力，这意味着客户不再要额外的功率放大电路。器件可在200ns进行短路保护，共模抑制比做到了业界领先的150V/ns。其峰值电流能力高达15A，可满足大多数MOSET和IGBT驱动的需求。内置六通道隔离采样ADC，可用于温度的采集、电压的采集，帮助客户减少了额外分立的隔离ADC的成本。同时，还内置了超过50多种功能安全相关的机制。
温度传感器TMp126可在150°C的环境温度下工作，其采样精度高达±0.3度。越高的温度传感器精度，越可帮助客户在设计整个系统的时留有更小的设计余量。与此同时，在做系统动态温度补偿时，高精度也有助于最大化提高系统效率。器件可在全温度范围下（-40到+175度整个温度范围）保持非常高的精度。相比分立产品，温飘几乎可以忽略不计。数字接口内置的循环冗余校验功能，也能确保在高噪声的电磁环境下能够可靠地进行通讯。产品还可借助超小的引线式SpI温度传感器缩减尺寸。
记者认为，TI的动力总成集成中的单器件均为明星单品，正因为拥有整车各方面电源管理IC和单器件实力，才有资格进一步整合整体方法。单器件固有的优异属性不仅能放在体积更小的整体方法中发挥，分布式方法关于公司无疑也会新增设计成本、稳定性测试成本、安全测试成本等各种隐性成本。
另据德州仪器EV/HEVSEM团队成员TÜVSÜD认证功能安全工程师曹伟杰的解释，TI会考虑到系统整体的性能要求，而不是单单地把各个芯片简单地组合到一起。这包括了怎么选拓扑、怎么选控制策略，TI会兼顾整体的EMI、静态电流、功率密度、噪声精度、隔离性能，所有性能参数。
实际上，汽车电子也存在这种逐渐整合的现象，许多Tier1系统制造商逐渐将这数百个ECU整合为几个DCU（域控制器），未来ECU的趋势就是进一步整合，从分布式变为集成化。反观整个电子行业，其实就是一部微缩化和集成化的简史。因此，能够预见TI的动力总成集成必能掀起电源管理IC的新浪潮。
虽然介绍诸多优势，但实际构建这样的动力总成集成并非易事。曹伟杰坦言，当今汽车行业面对的最大挑战之一是如何满足排放法规，同时生产出价格可承受且制造利润可观的电动汽车。在此级别进行集成是一个新概念，因此自然可以预见其学习曲线。
他表示，为了使性能最大化，必须仔细设计磁集成。与此同时，集成系统要高性能的MCU和实时子系统，控制算法将更加复杂。除此之外，还要一种高效的冷却系统，以在较小系统中进行散热。
“功率级整合带来的复杂性，意味着要同时集成控制算法以及拥有高性能MCU和实时子系统要求的硬件，这正是TI可以供应给客户的方法”，曹伟杰如是说。
谈及市场方面，曹伟杰认为，半导体公司、整车厂、Tier1还有市场是相辅相成的假如市场变化越来越快，可能以后走向域控制器这样更高的集成度，对MCU的性能要求会越来越高，随之而来的是半导体公司必须要供应更强大的MCU。所以，他认为市场的发展之下，会加速相关产品的上市和推出时间。
而在客户将TI逐渐导入方法和设计时，曹伟杰认为他们会寻找使电动汽车生产更具盈利性且使购买价格更实惠的方法，这是因为OEM要遵守全球排放法规。而动力总成系统是电动汽车中最昂贵的部分，通过结合关键系统，汽车制造商可以整合零件以降低设计成本和重量。除其他优点外，更少的零件可使电动汽车轻量化，从而延长行驶里程、降低成本并提高可靠性（易受损的零件更少）。
在合作方面，曹伟杰告诉记者，TI无论是和上游的厂商或者是下游的厂商，会与客户合作并根据要求供应合适的解决方法。在供应系统解决方法的过程当中，相应的一些设计或者是控制策略都会有相应的解决。
作为TI的合作伙伴，深圳威迈斯新能源股份有限公司副总裁兼上海子公司总经理韩永杰认为，目前新能源汽车明显围绕着性能和成本发展，威迈斯的OBC和DC/DC也采取了控制级和功率级的集成方式，通过与TI的C2000和UCC5870-Q1的深度合作，制造了功率密度大、体积更小、成本下降明显的产品。
“从未来的趋势来讲，整个动力系统应该是要趋向于集成。目前可能仅在OBC、DC/DC和pDU集成的方法，但从未来发展来讲，实际上还要进一步地集成。威迈斯在这一块做了很多工作，我们在应用这一块也与TI做深度合作，尤其是C2000和UCC5870驱动芯片，应用在我们的产品上”，韩永杰这样说。
通过观察整个电源管理IC行业的动作，公司越来越趋向高度集成化的方法，集成、整合、模块、系统成为充斥近几年的关键词。TI作为早在很久以前就提出各种整体方法，彼时就为动力总成集成埋下伏笔，唯有拥有单器件优势和广阔产品线才有资格进行这种整合。产品的推出势将拉开汽车电源管理IC的高度集成化发展的序幕与未来的市场争端战。
