縱觀半導體行業的2020年,出現最多的關鍵詞是什么?集成、整合、模塊、系統……

筆者曾參加數十個電源管理芯片企業相關發布會和訪談,每次的靈魂拷問中,都會談及分立器件和模塊器件的關系。大多數受訪人均會毫不猶豫地說兩者是會并存的,并且毫不沖突。但提供模塊化產品顯然在功率密度、體積更具優勢,模塊化產品也可為客戶提供一個可直接使用的產品,從而減少設計時間、提高可靠性。

實際上,電源管理芯片無論是第三代半導體材料還是傳統器件,在筆者看來,從完整的解決方案出發,無論從功耗、成本、尺寸上來講,還是系統的精簡方面來講,完整的解決方案遠比單器件更加出色。

在汽車產業驚人發展之下,汽車的電源管理IC芯片亦如此。日前,MPS與21ic中國電子網記者道出了對汽車行業的理解和汽車電源管理IC發展的看法。

汽車電子在增強集成化

經過多年的發展,汽車早已不是放上發動機和四個輪子的簡單物件,根據各大機構預測,電子化產品將占汽車總成本的二分之一,每輛車預計將會有20倍的半導體需求,電動車和混合動力汽車年銷售市場份額預估增長20%。

除了電動和混動,現在的汽車擁有了無數輔助駕駛的技術,諸如自動泊車、碰撞警告、主動剎車、ACC自適應巡航、VSA車聯網檢查、ISA電子警察系統、TMC實時交通系統、360環視、并線輔助、LDWS車道偏移警告系統、HMW車距檢測及警告、FCWS前車防撞預警系統、PED行人檢測、車道保持系統……

MPS全球汽車總監Allen Chen為記者介紹,網絡時代下汽車將會與駕駛人員、車聯網、軟件互動,這便是汽車的發展趨勢“ACES”,解釋起來就是自動化(Autonomous Driving)、互聯化(Connectivity)、電氣化(Electrification)、服務化(Service)。

實際上,如此眾多功能加身的汽車,也將成為計算的“大戶”,掌控著傳感器、總線數據采集和交換以及代碼執行的“總司令”就是ECU(Electronic Control Unit)。但在高速發展之下,車內ECU數量逐漸變為數十個到上百個。

Allen Chen表示,如此分散的ECU會為汽車設計帶來問題,各自為陣的ECU需要很強的中央進行協調,這無疑增加了汽車走線的復雜性,為制造帶來了成本。這種扁平化和點對點的模式也為單一功能升級帶來了困難。

因此,未來ECU的趨勢就是進一步整合,從分布式變為集成化。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)。

汽車電源IC也將具集成化和整體化

半導體在汽車產業鏈中充當什么角色?Allen Chen認為,OEM汽車廠商越來越依賴Tier2半導體零部件制造商,這是因為OEM需要半導體廠商直接提供所需功能,以便更早接觸先進技術,同時更早提供可靠性測試結果以便將下一代產品推向市場。

“MPS不僅僅著眼于單個IC的精雕細刻,現在采用更多的是“Power Subsystem”的模式,即電源子系統的設計。” 換言之,MPS在汽車電子產品上不僅擁有極佳的集成化單IC產品,還擁有更加符合未來發展的整體化方案。Allen Chen為記者展示了幾款印證了MPS汽車電子戰略的解決方案:

1、高度集成的數字升降壓變換器

根據Allen Chen的介紹,MPQ88XX- AEC1是最新推出的汽車產品,這是一款高度集成的30W數字升降壓(Buck-Boost)變換器,使用最新的第六代MPS BCD工藝技術,為4mm x 5mm Flip-Chip(倒裝)QFN封裝。

與競品相比,擁有5倍功率密度,降低了75%布板面積,減少了50%外部元器件,可節約30%的設計時間。據Allen Chen介紹,這款產品已和很多汽車制造商深入合作,很快這款產品就會面世。

2、整體化汽車電源方案

“為了滿足可擴展性這一個重要需求,MPS汽車解決方案將整體目標定位在整個系列而不是單個產品上”,Allen Chen用MPQ4436作為范例為記者介紹。

MPQ4436采用并聯解決方案,,客戶可以采用1路輸出,雙路輸出,3路輸出,4路輸出各種供電方式。

利用這種并聯的整體化方案,可在小尺寸情況下提高功率密度。另外,4片MPQ4436的散熱面積使得PCB擁散熱面積更廣;單片MPQ4436都針對性進行了EMC電磁兼容優化,EMC性能更優;并聯設計對于系統的兼容新更強,不同平臺客戶都可隨心所欲設計使用。

3、電源子系統設計

Allen Chen為記者展示了一款ADAS模塊設計的電源子系統,該子系統由六種以上不同IC組合而成,各個子系統間能和諧運行。值得一提的是,整合其中的單IC器件均是基于MPS先進工藝技術的電源產品,使得功率密度整體都非常高。

另外,子系統中還囊括了時序控制和電壓監控的模擬產品。“MPS其實已經將汽車應用產品的范圍從最擅長的DC/DC電源管理產品拓展到了精密模擬的領域”,Allen Chen表示在這種電源子系統中,需要考慮的不僅是單個IC的典型功能,還要考慮到各個IC如何與其他設備協同工作。

“MPS的這種‘電源子系統思維’在與第三方關鍵評估機構合作,評估機構會根據行業認可的標準對‘子系統’進行驗證,這樣客戶不需要著眼于單個IC,可以完全從MPS獲得整個子系統的電源方案,進而加快自己的設計周期。”

“子系統的概念的關鍵在于每個IC不僅要照顧自己的功能,還要考慮每個IC與其他IC的協同工作能力。現在很多客戶在設計時,很有可能從廠商會拿來相應模塊,但是很有可能這些模塊在一起工作并不是最優化的場景,MPS想強調的是安全分析的重要性,在子系統層面,我們已經幫助客戶考慮了諸多的應用場景,包括很多極限的應用場景”,Allen Chen如是說。

集成化方案幫助集成化市場

從ECU轉變為DCU,從素質優秀的分立器件外加優秀的整體解決方案,實際上是電源管理IC企業針對這種行業趨勢去定制的解決方案。

Allen Chen認為,MPS是從3個角度來幫助客戶面對DCU上的挑戰的:其一,更改時間和成本降低,這是因為DCU設計瞬息萬變,諸如MPQ88XX-AEC1這種方案無需修改PCB,只需更改內部設計甚至可在一小時內就可滿足新的需求;其二,功率密度高,DCU集成度高必然導致上面元器件增加,因此高功率密度下的小體積便獨具優勢;其三,擁有很好的耐受性和魯棒性(Robustness,系統的健壯性),MPS的產品在EMC優化、耐受尖峰電流等方面具有極佳優勢,并已形成很多開發文檔和參考設計。

與此同時,MPS的硬件方案既然擁有如此強大的集成化和整體化,軟件方案也可很好地幫助客戶解決問題。近期,MPS最新上線了“虛擬實驗臺(Virtual bench)”的應用,客戶可以輕松進行仿真,試驗不同元器件的參數和數值,幫助客戶輕松進行初步方案設計。另外,MPS很多產品內部已有相應固件,對軟件進行投資和研發一直以來是MPS的愿景,致力于為客戶提供更方便和易于使用的產品。

筆者認為,MPS如今在汽車產品的布局是單器件和整體方案雙向發展的行徑,這種方式使得無論是需求分立器件的客戶還是模塊化產品的客戶均可獲得理想產品。另一方面,單器件的增強,更是為整體方案進一步提高功率密度、減少體積鋪開一條“羅馬大道”。

反觀電源管理IC整個市場,瞄準汽車市場的屢見不鮮,競爭汽車市場的“雙板斧”就是高功率密度和可靠性。會議上,Allen Chen透露,MPS即將推出名為“MPSafe”的汽車安全級分類產品,藉由MPS的專業功能安全團隊,充分發揮獨特的安全優勢。

從市場來看,集成化和整體化亦是市場小型化需求下催生的概念。行業正在逐漸朝向新的趨勢進發,MPS未來更多集成化和整體化產品也正在醞釀之中。

審核編輯：符乾江