从慕尼黑华南电子展看汽车和新能源半导体产品创新

路科验证 2022-11-28 12:07

文︱坚白
图︱现场拍摄


日前,电子行业盛会“2022慕尼黑华南电子展”顺利开幕,作为以全球行业应用趋势为特色的电子科技大展,每一年的慕尼黑电子展,已经成为产业观察前沿产品和技术以及相关企业的重要窗口。

在本届展会的集成电路展区,电源和功率器件,以及汽车控制关键器件成为主要亮点,从本土企业到国际大厂,都展出了各自最具代表性和前端性的重要产品。

国产车规MCU实现全场景覆盖

作为国内最早面向汽车和工业领域并且一直专注基于自主KungFu处理器架构的芯片设计公司,上海芯旺微电子(ChipON)已经推出了近50款8/32位车规级MCU,其核心车规级MCU通过AEC-Q100品质认证,已实现汽车前装市场批量商用,广泛覆盖车身控制、汽车电源与电机、汽车照明和智能座舱等场景。

本次展会中,芯旺微电子重点展示了其核心产品KF32A146/156在车灯、仪表和风机控制,以及T-BOX等应用。

图:汽车尾灯控制方案

这是基于KF32A146的组合尾灯方案,可以实现亮度、颜色、动态开关和图形变化的控制。据芯旺微电子FAE总监卢恒洋介绍,KF32A146采用芯旺微电子自主KungFu32内核,主频72MHz,拥有丰富的资源,包括256KB ECC Flash,48KB ECC RAM,1*CAN-FD(兼容CAN2.0)/1*CAN2.0,4*USART(LIN)/2*SPI(I2S)和2*IIC。由于集成了CAN-FD接口,为汽车末端节点控制器提供了高速CAN-FD接口,增强了这一应用场景下的ECU性价比,例如用一颗MCU就可以实现不同位置,不同功能,不同点阵车灯的集中控制。

图:汽车仪表方案

该方案基于KF32A156,内置512KB Flash,64KB RAM,主频为120MHz。其外设资源丰富,包括1*CAN-FD(兼容CAN2.0)/1*CAN2.0,4*USART(LIN),4*SPI(I2S)和4*IIC,以及增强型ECCP,这些资源满足了汽车控制域的高速通信需求。

KF32A156的宽工作电压(2.7~5.5V)将其应用范围拓宽至全场景的车身控制系统,在安全性能上,KF32A156满足ASIL-B的系统功能安全。在这个仪表方案中,KF32A156主要是和车机控制对接,将数据信号传递到仪表盘,实现对仪表功能的控制。

芯旺微电子在推出KF32A156时,准备了库函数和DEMO开发板,开发了符合AutoSar规范的MCAL,以支持用户开发AutoSar基础软件,因此该器件是一颗真正意义上实现从芯片IP到工具链全自主的汽车MCU。

图:T-BOX方案

T-BOX主要为汽车提供定位和信号收发的功能。该方案也是基于KF32A156。充分利用了该器件的CAN网络通信接口资源。卢恒洋强调,在汽车应用中,网络连接性能是MCU应用的关键。

图:汽车风机

在汽车应用中,电机控制是MCU最主要的应用场景,芯旺微电子也开发了众多产品。该方案采用了KF32A141,主频为48Mhz,128KBFlash,拥有丰富的外设资源,包括3个ADC模块23个通道,1个ECCP,2*CAN2.0,4*USART(LIN),2*SPI(I2S)和3*IIC等。

KF32A141的ECCP输出6路PWM,采样值经过FOC算法去调整控制PWM输出的占空比,使电机的运行速度达到速度给定。ECCP模块下的PWM有多种模式可以选择,同时支持PWM信号边沿对齐和中心对齐两种对齐方式。在每个通道上,KF32A141都设置了独立的死区定时器方便进行死区控制。

卢恒洋表示,目前芯旺微电子研发的车规芯片应用范围可覆盖整车MCU用量的80%左右,已大量进入汽车前装市场。而除了车载设备和车身控制,KF32A156已经进入核心的底盘控制,也是国内最早进入汽车底盘控制的MCU供应商。其国内合作主机厂包括一汽、长安、东风、上汽、上汽通用五菱、长城、奇瑞、吉利、BYD、GE、小鹏、理想等,同时也已进入韩国现代、德国大众等海外车厂的供应链体系。

面向智能汽车的关键应用

作为全球最重要的汽车控制芯片供应商之一的瑞萨电子,本次展会重点展示了其面向汽车应用的核心器件和方案,包括ADAS、智能座舱和汽车网关。

在ADAS方面,主要是智能摄像头方案,包括R-Car V3H和V4H(第三代和第四代)SoC。据瑞萨电子中国汽车电子市场部高级经理王璐介绍,R-Car V3H可为先进的计算机视觉带来出色的TOPS/Watt,支持最新的NCAP 2020 要求,包括驾驶员监控系统,并提供向NCAP 2025 迁移的路径。R-Car V3H集成了CNNIP可实现高性能的深度学习,支持在实时领域的ASIL C 安全目标,无需外部安全MCU,即可管理传感器融合和最终决策操作。并且,R-Car V3H具备一整套成熟的IP,支持感知堆栈、传感器与雷达和/或激光雷达融合、支持8 MP摄像头的ISP,可以使OEM和Tier 1能够以更低的物料成本更快的上市。

图:面向ADAS的R-Car V3H和V4H方案

作为R-Car V3H的升级,R-Car V4H 提高了深度学习性能,算力达到34 TOPS,可通过汽车摄像机、雷达和激光雷达对周围的物体进行高速图像识别和处理。基于R-Car V4H 开发的ADAS电子控制单元可支持Level 2+和Level 3等级的自动驾驶系统,包括完整的NCAP 2025功能。R-Car V4H还支持环视和自动泊车功能,具有优异的3D可视化效果。

图:模拟高清视频链路方案

这是一个模拟高清视频链路,基于RAA279971和R-Car V3X搭建。RAA279971是一款专为汽车应用设计的模拟高清视频编码器,支持1080p高清分辨率。其内置的10位视频DAC将传入的视频流编码为模拟组合格式,通过长达30米的同轴电缆或STP电缆将其作为单端或差分信号传输给RAA279972解码器,满足环视和后视应用。相较于数字高清视频链路,该方案成本很低。

图:智能座舱方案

这组演示包括了基于R-Car Gen3和R-Car E3e处理器的车载娱乐系统、集成座舱和数字仪表应用。R-Car Gen3主要针对成本敏感的入门级和中级车载信息娱乐系统(IVI)、数字仪表和集成驾驶舱系统,可以降低系统成本,实现更高集成度和简化软件结构。

R-Car E3e用于3D图形仪表盘,具有增强的3D图形渲染功能。该款SoC还具有车联网必不可少的功能安全和网络安全功能,由此可简化开发安全处理故障和网络攻击系统的任务。该单芯片设计集成了多种系统,大大降低了系统开发总成本,并显著节省了空间。

图:GreenPAK开发套件

GreenPAK基于极具成本优势的非易失性存储器(NVM)可编程的数字、模拟混合信号处理器,内含数字、模拟、时钟等资源,可以实现上百种不同应用。该套件具有图形化拖拽的GUI原理图设计方法,可以支持SPICE仿真,其成本较传统方案可节省50%以上的BOM成本,并节省90%的PCB尺寸。

图:汽车服务器及通信网关方案

这是瑞萨电子基于R-Car S4 的汽车网关方案。R-Car S4能够启动具有高性能、高速网络、高安全性和高功能安全级别的汽车服务器/CoGW,集成了多个异构处理器内核(Arm内核/ RH850内核),具备丰富的汽车接口,包括16通道CAN FD、16通道LIN、1通道FlexRay,以及三端口以太网TSN接口和4通道PCIe V4.0。

该方案配置多个硬件安全模块和防火墙IP,为网络攻击提供增强型安全防护,支持基于ASIL B和ASIL D功能安全。

国产车规SiC器件规模化量产上车

作为大中华区SiC功率半导体行业领军企业,上海瀚薪科技基于对第三代功率半导体产业的深度洞察,在本次展会中重点展示了其最新推出的H2M系列第二代MOSFET和H4S系列第四代Diode等全新产品。

图:最新推出的SiC产品

据上海瀚薪市场总监牛凯介绍,第二代的MOS和第四代的Diode是基于减薄工艺,各项指标特性优于上一代。目前,第二代MOSFET H2M系列已量产1200V 40mohm(TO247-3L/TO247-4L)和1200V 80mohm(TO247-3L/TO247-4L),能够在175°C的高温下操作。

同时,为响应市场的需求,上海瀚薪同时推出了新的TO263-7L封装,目前650V/50mohm, 1200V/60mohm的TO263-7L封装规格已经进入量产,未来1-2月会有更多的产品型号会推出这个封装,包括1700V的MOS系列。

图:第二代MOSFET H2M系列的两款产品

上海瀚薪是国内能大规模量产车规级SiC MOS管、二极管并规模出货给全球知名客户的本土公司,牛凯表示,公司产品都满足车规AECQ-101的要求,主要应用包括新能源车的OBC/DC-DC/ 充电桩、光伏逆变器、储能、通信电源、高端服务器电源、工业电源、轨道交通等。

目前,整个SiC行业的产能比较紧张,牛凯表示,上海瀚薪已经持续的和国外和国内的材料和芯片代工厂家交流及签订了长期合作协议,因此上游厂家能够积极的帮其扩充产能,满足需求,因此公司对于未来营收充满信心。今年,该公司出货量比去年增长了近3倍,预计明年也将保持这一增速。

这一预期来自上海瀚薪和车厂之间进行的合作。该公司在海外已经通过Tier1厂家供货给德国与韩国的车厂和美国的Lucid Motors,在国内 SiC厂家中率先被国外车厂导入供应链;在国内,该公司在和车厂交流的同时,和Tier1供应商在BMS,OBC等方面进行了深度合作,未来车厂的母线电压会从400V向800V迈进,对功率器件的耐压提出了更高的要求,SiC的材料特性会得到更好的体现。因应未来的技术发展,上海瀚薪早在2-3年前已经布局了1700V和3300V的产品,而且有两款规格产品已经应用在新能源车的BMS系统中。

展会期间,上海瀚薪还展示了多种SiC模块以及驱动电路产品,这些模块都已进入规模化量产阶段,其内部的SiC MOS管和二极管也都是自制,目前推出的模块电压平台包括650V, 1200V 和1700V。

国产高性能电源管理芯片

自2013 年国家明确新能源战略以来,在政策支持下,中国的光伏市场快速崛起,目前已经发展成为全球最大的太阳能光伏市场。这一过程也为国产相关模拟芯片企业提供了发展机遇,数明半导体正是其中一家代表性的企业,该公司以光伏能源板块为主要发展方向,在高压、高效率、大功率和超低功耗电机及电源管理芯片领域拥有多项核心专利技术。

本次展会中,数明半导体重点展示了其面向光伏、光通信、汽车和工业电源方面的产品。

图:面向智能光伏的管理芯片

这是数明半导体最重要的两款面向智能光伏的芯片SLM6000和SLM6212。据数明半导体工业能源市场总监江中亚介绍,两款芯片主要针对光伏供电的关断和优化,在性能上已达到全球领先水平。

在光伏系统中,由某部分电板组件发电效率降低引起的组件间电流失配,会导致整串组件的功率损失,从而影响系统的发电量。而通过子串级优化,可以调整电流达到最佳均衡,消除电流失配,带来系统级别的发电量增发可达3.8%~25.7%。

SLM6212系列产品对应的PCBA板可通过升流降压的方式,使得串接在系统中的组件都工作在“舒适区”,也就是在优化单元之前实现每片组件的最佳工作点(而不需要考虑到串接的其它组件的电流值),而优化单元之后则通过升流降压将所有的组件电流调整到一致水平,从而避免了电流失配引起的发电量损失的问题。

图:用于光模块的芯片方案

该方案采用了数明半导体电源管理芯片SLM5148和TEC(半导体制冷器)控制芯片SLM883x,其作用在于为光模块提供保护。

SLM5148集成了负压电荷泵和可调输出LDO,外围电路极少,可提供正负电压输出,全面的短路和过温、过流保护。

激光器的波长与温度成正比关系,环境温度的变化会对波长造成影响,对波长的控制可通过温度控制来实现,对激光器的管芯温度进行控制是稳定激光器发射波长的最有效、最基本的方法。因此,TEC及TEC控制芯片因其良好的温度控制性能广泛应用在光模块行业中。

SLM883x系列TEC控制芯片由SLM8833,SLM8834,SLM8835组成。该系列产品集成了线性功率级、PWM功率级和两个零漂移,轨到轨的运算放大器。该芯片采用高效的单电感架构,实现更紧凑、更高的转换效率及更低的噪声;其中功率级集成了超低阻抗的MOSFET,其损耗更低寿命更长久。SLM883X系列产品集成了TEC电压和电流监控、加热和制冷限流限压功能,实现更加全面的保护。该系列产品支持数字PID及模拟PID控制或兼容两种控制模式,最大制冷、制热电流分别是1.5A和3A,设计者可根据应用自行选择。

图:高性能隔离驱动器

这是数明半导体一款兼容光耦带DESAT保护功能的IGBT/SiC隔离驱动器SLMi33x。内置快速去饱和(DESAT) 故障检测功能、米勒钳位功能、漏极开路故障反馈、软关断功能以及可选择的自恢复模式,兼容光耦隔离驱动器。

SLMi33x的DESAT阈值为6.5V或9V,其最大驱动电流有1.5A,2.5A和4.0A三档,通过采用业界领先的双电容隔离技术和“OOK”传输技术,SLMi33x实现了5kVrms的隔离电压和高达10kV的隔离浪涌电压,并具有超过100kV/us (Min.)的共模瞬态抗扰度(CMTI),满足了SiC功率器件对CMTI的高要求,保证了在极端恶劣工作环境下的可靠性和稳定性,为客户提供高质量、高性能的替代方案,可广泛应用于电机驱动、大功率变频器、不间断电源(UPS)、EV充电、逆变器等应用场景。





路科验证 专注于数字芯片验证的系统思想和前沿工程领域。路桑是Intel资深验证专家,主持验证架构规划和方法学研究,担任过亿门级通信芯片的验证经理角色。在工程领域之外,他在西安电子科技大学和西安交通大学客座讲授芯片验证课程。著有书籍《芯片验证漫游指南》。
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