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7位技术专家告诉你,2018电动汽车/自动驾驶的挑战在哪里?

时间:2018-11-07 作者:赵明灿 阅读:
电动汽车和自动驾驶是目前业内最热的两大话题。随着这两类技术的快速发展,我们也碰到诸如隔离设计、电流检测、数据存储以及电池性能和自放电测试的各种挑战。

 电动汽车和自动驾驶是目前业内最热的两大话题。随着这两类技术的快速发展,我们也碰到诸如隔离设计、电流检测、数据存储以及电池性能和自放电测试的各种挑战。在日前由ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《国际电子商情》和《电子技术设计》共同举办的汽车电子论坛上,来自是德科技、伊莎贝棱辉特、华邦电子、Silicon Labs、美光、艾德克斯和博通等七家公司的技术专家为我们分享了这两大热点领域的发展趋势,并针对上述挑战详述了最新的创新解决方案。本文将针对其中与汽车电子相关的内容划个重点。ellEETC-电子工程专辑

是德科技:创新电池性能和自放电测试

是德科技大中华区电源产品渠道经理万峻珲在其“快充和无线充电效率测试及电池性能的深层分析”主题中,介绍了功耗、快速充电、无线充电效率以及电池自放电等方面的测试。他介绍,是德科技去年收购了德国一家公司Scienlab,获得了新能源汽车的整体测试测量解决方案。ellEETC-电子工程专辑

在谈到汽车电子,他指出,供应商需要满足车厂标准,比如VW80000,因为要做跌落、抛负载试验,波形很奇怪,传统直流电源没办法达到要求,因此需要用到大功率任意波形发生器,借助这样的电源可满足各种汽车电子测试测量要求。ellEETC-电子工程专辑

同时他提到,除了锂电池,目前新能源汽车领域还有燃料电池比较火,可以解决锂电池目前的一个瓶颈,即电池回收问题。燃料电池环保,但是成本相对高。ellEETC-电子工程专辑

电池本身的内阻是影响电池快充的一个关键。同时,不同电池或不同厂家对电池充电的要求也不一样。DCR在整个充电过程中并不是恒定值。因此,在看电池指标的时候,关注的往往不是容量或标称电压,更应该关注的是DCR是多少,怎么变化,以及温度的影响怎样,这样才能实现快充并把它发挥到极致。快充通常希望电压达到上限以下时容量很大。比如充到4.2V的上限值,那就希望充到4.1V能达到90%,这样才能实现电池快充。另外,温度对电池充放电的影响也很明显。ellEETC-电子工程专辑

他指出,是德目前最创新的解决方案是电池性能和自放电测试。ellEETC-电子工程专辑

电池性能测试需要关注电池自放电,例如ACR、DCR、容量以及电压的分布情况、循环充放电次数和容量的关系。ellEETC-电子工程专辑

对于新能源汽车行业,对电池测试是必需的。电池循环充放电电池寿命验证,以前是采用一台源和一台负载,源用于充电,负载用于放电能量吸收来实现。这样的系统搭建往往没有办法进行无缝切换。现在有了二合一的设备,充放电系统搭建非常容易。ellEETC-电子工程专辑

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另外对于电池的自放电测试,是德现在提供了一种比较好的测试测量方法。很多时候我们都要对电池进行匹配。例如,特斯拉电池是通过多节18650、21700电池拼起来的。每一小节电芯自放电不一致,会造成使用寿命、安全性大打折扣。那我们怎么去测试自放电?ellEETC-电子工程专辑

电池厂商传统的方法,是在某年某月某天,用万用表去读电池两端电压,过了两三天或一周再去读一次,通过观察电压下降的趋势,去判断一批电池是否符合要求,可以出厂。这样的测试测量方法有两个弊端,一是直接量测电压,自放电电流大小是多少不知道。二是需要很长时间,工厂货期非常长,而使客户不满意。ellEETC-电子工程专辑

是德推出了一种创新的自放电测试方法。这种方法其实非常简单,就是用一个表去量电芯漏电流是多大。可以把电池看成两个水杯,一个注水,另一个没有,两个水杯都开了一个小口,代表电芯自放电大小。水杯的高度即电压,容量等于电容量……EDN之前对此有过报道,详情请见《电池自放电测试由一两个月缩短到俩小时:奥秘是什么?》。ellEETC-电子工程专辑

伊莎贝棱辉特:采样电阻与霍尔传感器对比

伊莎贝棱辉特惠斯勒公司资深现场应用工程师钱晨栋分享了“汽车电子中的电流检测应用”。他介绍说,伊莎贝棱辉特是一家德国的被动元器件公司,由伊莎贝拉公主的后代所传承。ellEETC-电子工程专辑

现在在消费类、工业以及汽车领域,产品都非常多样化。但是万变不离其宗,电流采样对于电机驱动来说起着核心作用。电流检测电阻是一种超低阻值电阻,是电阻大类的一个分支。从功能上说,可以把它列为一种电流传感器或分流器(shunt)。从上世纪电子元器件的发明开始就一直存在,不过最初由于工艺水平的原因,应用受到限制。ellEETC-电子工程专辑

伊莎贝棱辉特的电流检测电阻采用镍铜合金(灰色金)制造,非常适合制作阻值非常低(毫欧级、微毫欧级)的电阻。这类电阻在电动汽车中应用广泛,如EPS、EPB等,只要涉及电机驱动的部分都可以使用采样电阻。ellEETC-电子工程专辑

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例如,电动助力转向系统(EPS)经历了从机械液压助力转向系统(HPS)到电子液压助力转向系统(EHPS)到EPS的发展。它通过电机取代原先的液压助力转向系统,将电流信号转换为电压信号,反馈给ECU,进而驱动电机。ellEETC-电子工程专辑

下图是采用了0.5mΩ采样电阻的EPS驱动板。ellEETC-电子工程专辑

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另外一种应用是自动变速箱(TCU)的控制单元。它通过各种阀门、继电器、位置传感器等,将采集到的信号反馈给MCU做处理。ellEETC-电子工程专辑

以下是某德国车厂所用双离合变速器,其中采用了伊莎贝棱辉特的镀金端子产品。“它采用了一种绑定和倒装焊的工艺,能够把TCU模块做得非常小,放在发动机的引擎缸里,环境温度最高达到140℃。”钱工介绍说。ellEETC-电子工程专辑

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EPB(电子驻车)通过一个按钮或开关,替代传统的手刹方式。它不仅仅是一个简单的刹车制动,比如在斜坡上驻车或启动时,通过EPB方式就不会溜车。如何实现的呢?它里面实际上是有一个直流电机,在斜坡上加速启动的时候,MCU通过位移传感器去计算油门的驱动力,去和电机(通常是BLDC)的驱动力做比较。ellEETC-电子工程专辑

然后是汽车空调,它和家用空调没有太大区别,但是是安装在汽车里,要考虑动力和安装空间等问题。采样电阻在空调系统中应用也很广泛,其PWM调制解调IC会接一个2mΩ或3mΩ采样电阻,反馈三相电机信号,实现无极变频模式。ellEETC-电子工程专辑

汽车里的采样电阻,范围一般在30A到60几A。ellEETC-电子工程专辑

另外,对于BMS(电池管理系统),近两年非常火爆。BMS包括电机、电池和电控三个部分,合称三电,它是新能源汽车的核心。ellEETC-电子工程专辑

BMS从最早的12V到随后的24V、48V再到高压,以及启停系统。DC-DC转换器、逆变器、车载充电器等都会通过采样电阻去检测电流。ellEETC-电子工程专辑

BMS的电流采样还有另外一种器件:霍尔传感器。这种器件是磁性元件,比采样电阻更早出现,材料工艺相对采样电阻没有那么高。ellEETC-电子工程专辑

采样电阻的优势是尺寸小、噪声小、线性度好、温漂系数低、分辨率低、成本低等。但它也有劣势是它上电有功耗——用霍尔传感器没有功率损耗。另外,霍尔传感器直接解决ellEETC-电子工程专辑

随着BMS SoC对精度的要求越来越高,电流传感器的动态范围也得到重视。对于高动态范围电流采样,用开环的霍尔传感器就无法实现。ellEETC-电子工程专辑

华邦:串口NAND Flash完胜串口NOR

华邦电子闪存产品企划经理黄信伟(Wilson)分享了“专为车用存储需求的高速低成本串口NAND方案”。他指出,摩尔定律可能在未来几年内被终结掉,如果套用在存储器领域,也是有这个趋势。1986年Intel发明了第一颗1.5μm的NOR Flash,到2008年演进到45nm的Flash,然而再往后,没有进一步地微缩。ellEETC-电子工程专辑

NOR Flash是一种比较可靠的存储器解决方案,适合存小容量代码。NAND Flash在传统上被视为不那么完美,需要进行管理。目前所有的电子产品越来越复杂和强大,NOR需要更大容量的存储,但是它的工艺不会再微缩,所以大容量的成本高。而NAND工艺会持续微缩,从之前的40几nm到30几、20几、10几nm都已量产。因此在大容量存储上,NAND Flash成为主流选择,在可靠性上也可以和NOR比拼。ellEETC-电子工程专辑

黄经理从成本考虑、质量角度、读取速度和写入速度几个方面,对串口NAND和串口NOR进行了比较,并解释了“串口NAND需要额外控制器做坏块管理或ECC吗?”的问题。ellEETC-电子工程专辑

从成本上看,NOR先天上比NAND大一倍,相同容量上成本比NAND贵。ellEETC-电子工程专辑

从质量上看,在半导体存储器里,保存的电子数越多,数据保存越久。华邦46nm的SLC NAND在擦写1000次后,在85℃下可以保存10年,和传统的NOR性能可比。ellEETC-电子工程专辑

从功能上看,首先是读取速度。拿自家产品作对比,华邦的STR NOR时脉可以到133MHz,DTR可到80MHz,整体读取速度可达到80MB/s。市面上一般的NAND,时脉只能达到104MHz,达不到前者的速度,但是华邦电子发布了一款全新的串口NAND,其STR NOR时脉可以到166MHz,DTR可以到83MHz,整体读取速度可达到83MB/s。这对于车载应用非常快了,从使用者体验来看,是款非常不错的解决方案。ellEETC-电子工程专辑

那这是怎么实现的?华邦独有的读取功能,可以让数据一直读取,而省掉了中间的读取命令。市面上没有这个功能的串口NAND,读取速度只能达20MB/s;并口NAND(可以16个IO并行操作)的速度会快点,但也不超过30MB/s。华邦第一代串口NAND在时脉速度在104MHz的时候可以达到52MB/s。还不够用?华邦又有开发了第二代全新的专为高速而生的产品,速度达83MB/s,可以给用户两种选择。83MB/s如果还不够用,华邦还提供了一种创新解决方案,即将两个83MB/s放在同一个封装上,就可以达到2*83MB/s=166MB/s。ellEETC-电子工程专辑

然后是写入速度,串口NAND比串口NOR高很多,写入快至少10倍,擦除快至少100倍。更直观的来看,同样写1Gb数据,NOR大约需400s,NAND耗时只有一点点。串口NAND在写入速度上具有非常大的优势,可节省pcb烧录时间(提高生产线效率)和实现快速在线更新。ellEETC-电子工程专辑

串口NAND(被视为不完美的传感器)需要额外的控制器去做坏块管理或ECC吗?请见下图。ellEETC-电子工程专辑

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最后他强调说,华邦的车规产品在出厂的时候是零坏块出厂,不会麻烦客户去处理坏块管理的问题。16nm是种稳定的工艺,在几千次的擦写状况下,不需要做坏块管理。ellEETC-电子工程专辑

Silicon Labs:电容耦合隔离的优势

Silicon Labs高级现场应用工程师赵伟分享的主题是“应用于电动汽车的高速率多通道隔离技术方案”。他介绍说,市面上常见的隔离技术有三种:电容耦合、磁耦(电感和变压器)和光耦。隔离是为了实现安全性(高低压之间)、参考地区分,以及不同的电流回路,而起到抑制噪声的作用。ellEETC-电子工程专辑

电容隔离的信号传输快,EMI性能好,不会有辐射信号,共模瞬态抑制比做得好。此外,其隔离栅材料通常为SiO2,隔离产品的可靠性和稳定性可以保证。磁耦产品的EMI性能相对差。光耦有光衰,会受温度和电压影响。ellEETC-电子工程专辑

Silicon Labs的隔离技术是电容式隔离,一颗隔离产品里包含两个die,原副边各有一对高压电容器,中间通过金线绑定起来。信号传输采用OOK调制解调,采用已认证的SiO2材料,绝缘强度可达500V/μm,不需要用到厚的SiO2层,可节省成本。Silicon Labs的隔离产品原副边之间有12根绑定线,差分信号可以保证信号质量。ellEETC-电子工程专辑

针对隔离材料,该公司做了TDDB试验,去验证材料的长期使用可靠性。对于5kV的产品,在施加1kV电压情况下,隔离栅的使用寿命可以达到100年。ellEETC-电子工程专辑

市场上推动隔离产品增长的趋势包括:绿色能源的需求,电源效率的要求,政府颁布新的排放标准。对于新能源领域,不管是全电动/混动车还是太阳能逆变器,都需要用到隔离产品。伴随这些产品的需求,隔离产品也得到进一步的发展。ellEETC-电子工程专辑

再看汽车电气化的趋势。在过去的2016、2017年,全球电动汽车销量增长超过50%;在德国,有近2%的新车是新能源汽车,其中全电动车的增长达137%。预计到2020年,全球电动+混动车出货量将达到1300万到2000万辆。同时,全球许多国家都提出了结束内燃机车销售的时间,新能源车前景光明。ellEETC-电子工程专辑

对于传统的燃油车,随着我国的排放标准越来越高,现在市面上的传统燃油车没法达到要求,现在车厂也在想办法,提出了48V轻混概念,来实现启停、转向等功能。ellEETC-电子工程专辑

在这个48V系统中,需要进行高压隔离,例如12V/48V、5V/48V等。ellEETC-电子工程专辑

针对汽车应用,隔离产品的挑战如下:ellEETC-电子工程专辑

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Silicon labs有几大类隔离产品(如下)。其中,数字隔离器的特点是集成度高,提供从单通道到6通道的隔离产品,一颗芯片就可以做SPI、I2C、485或CAN等隔离,例如6通道产品可同时实现SPI和CAN的隔离。隔离栅极驱动器可应用于变频器、伺服系统等应用。Silicon Labs这类产品非常完整,从MOSFET、IGBT、GaN和SiC,都有相应产品来支持。隔离ADC可以直接采样系统中的电压、电流。其芯片里集成了一个ADC,可直接把数字信号传给处理器。隔离运放可采集系统的电压、电流,并将它放大,传到后端的MCU、FPGA等做处理。ellEETC-电子工程专辑

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美光:存储器成为限制自动驾驶发展的瓶颈

美光科技汽车系统架构高级总监Robert Bielby探讨了“自动驾驶领域的云存储和本地内容存储”话题。他指出,未来代码数量最多的嵌入式应用不是Facebook,不是Windows,不是747,而是汽车。汽车代码在未来10年将达到3亿行。这么多的代码就需要有存储器来支撑。另外,随着自动驾驶技术的发展,存储器也将从汽车后座转移到前座。ellEETC-电子工程专辑

目前业内的两个热点话题是自动驾驶汽车和人工智能(AI)。AI需要用到最高的性能,达到数TFLOPS的算力。AI也会在自动驾驶上应用,为了达到这样的算力,就需要提供大量存储器带宽。然而,存储器的发展目前还跟不上处理性能的发展,成为了实现某些功能的瓶颈。ellEETC-电子工程专辑

自动驾驶系统需要由众多元素协力来实现,如操作系统、包括激光雷达、雷达、超声波、摄像头等在内的众多的传感器,并结合AI实现对象分析,针对交通拥堵等状况做出决策。计算机硬件好比车轮上的数据中心,会用到世界上最先进的计算性能。以前是PC推动存储器发展,之后变成智能手机推动,而现在则变成了汽车在推动。汽车中存储的地图,分辨率将朝cm级发展。此外还有驾驶控制、启动等,是它们的共同作用才能够实现自动驾驶。ellEETC-电子工程专辑

自动驾驶技术也将对我们的生活产生重要影响,例如舒缓交通拥堵,降低事故发生。自动驾驶汽车能够比人类“看得”更远更清,并能够实现360度全向监控。自动驾驶还有一个需要长期演进的是机器学习,即进行训练,需要提供大量数据。ellEETC-电子工程专辑

我们需要采用GPS地图来导航。但是对于下雪天的场景,激光雷达和摄像头可能不奏效,因此我们也需要使用地图来看清车道。3D地图可以提供精确定位。此外,我们还有很多新的技术正在研发中。ellEETC-电子工程专辑

市场上研究全自动驾驶有几种不同策略。他介绍说,特斯拉所采用的实时道路规划是主流技术。这种技术严重依赖于摄像头去创建3D地图,外加GPS。另一种技术是用摄像头对齐HD地图加实时道路规划,这是Waymo所采用的技术。由于地图存储在车内,因此其视觉系统的负担降低。这种技术,汽车需要每周从云端下载地图进行更新。第三种技术是使用众包位置数据增强实时道路规划。Mobileye的道路体验管理(REM)就是这种,通过他人信息分享来实现导航,例如收到前方车主发来的突发事故而重新规划路线。ellEETC-电子工程专辑

什么是云和雾?云无需过多解释,即远程服务器,可以用来更新地图以及算法。雾是指V2V、V2I通信,借此可以实现信息的实时共享,实现比云更高的即时性,雾的信息也可分享到云。另外,5G网络即将推出,它构建在V2X和LTE架构之上。ellEETC-电子工程专辑

以下是自动驾驶系统的原理图以及汽车存储架构的演变。ellEETC-电子工程专辑

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艾德克斯:一台电池充放电测试设备集成源和负载两个功能

艾德克斯(ITECH)技术工程师陈文兵分享了该公司的汽车电子测试解决方案。他介绍说,艾德克斯针对新能源汽车高压、大功率动力电池的充放电测试提供了一套新的硬件解决方案。以前的电池充放电是采用两个硬件回路来实现,即充电时采用一个电源来充,放电则通过一个电子负载来实现。ellEETC-电子工程专辑

这样就导致整个系统的成本非常高昂,尤其是在高压要达到1000V甚至1200V的硬件配置,功率做到9600W的情况下。ellEETC-电子工程专辑

以前的开关电源将380V市电转成直流电来进行充电。现在的解决方案在此基础上进行优化,能够实现电能的双向传递,即在电池包放电的时候,通过内部回路将DC逆变成AC,回馈到电网,这样可以可大幅节省测试成本。而且对于测试环境来说,由于现在的动力电池包太大,导致房间温度太热,散热难处理;这么大的功率也浪费电,而采用回馈式方案,则可以将电逆变成380VAC,用于其他设备供电。此外,它的效率也得到提高,达到了80%~90%的效率,最高电压做到了2250V,功率可以做到920kW,可根据客户的实际需求来配置充电和放电等。ellEETC-电子工程专辑

另外,常规的电流/电压采样大概能做到1ms左右。ITECH和一所学校进行充放电合作,学校要求做到微秒级的采样,用于脉冲式的充放电,先用大电流充电,一段时间后切换到短暂的放电,从而提高充电效率。目前的产品可以做到硬件4μs采样,而满足这种高速采样需求。此外,通过将设备并联,还可以扩展到更大功率。ellEETC-电子工程专辑

新能源车的发展离不开充电桩,可以采用家用220V插座给车载充电器供电,间接起到慢充的作用。对于交流桩,每辆车都必不可少会有一个AC/DC车载充电器(OBC),以及一个DC/DC,将电池电压转换成12V电平给低压设备充电,这两个设备必不可少。不管是整车厂还是OBC供应商,电性能测试必不可少,例如输入输出效率、纹波噪声、供电范围等。例如在工业园区充电,在早晨或夜里,电压会偏高。充电会充8个小时以上,在这种电压波动的严苛环境下,要保证充电器正常工作,就需要一套这样的系统。ellEETC-电子工程专辑

对于整车厂比较关心的指标,比如整车充电效率、充电时间、纹波噪声等,需要怎样实现测量?对于车载充电器测试,老板肯定是希望能用手里有限的资金来实现更多、更完善的测试。可以把两套系统合二为一来解决问题,例如将示波器和功率分析仪共用,将高压电源和电子负载合二为一。ellEETC-电子工程专辑

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博通:光耦适合汽车中的哪些隔离应用?

博通公司隔离产品事业部产品经理陈红雷分享了“光耦助力提升电动汽车充电方案”。他介绍说,博通今天的光耦产品线来自惠普时代。虽然公司经历多次变更,但这条生产线在持续不断地进行研发投入和开发跟进,未受公司的变更影响。博通的光耦产品在工业应用领域有着非常好的可靠性。ellEETC-电子工程专辑

其产品分类包括数字光耦、栅极驱动和隔离运放等几大类。市场包括工业、汽车、飞机、导弹、卫星和民用,产品本身非常丰富,覆盖领域也非常广。ellEETC-电子工程专辑

光耦由LED、隔离介质和和感光器件组成,用来实现电气隔离但信号可以沟通。它有很多不同封装形式,以满足市场对爬电距离、电气间隙和工作电压等的要求。ellEETC-电子工程专辑

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下面是个简单的应用场景。对于AC/DC电源转换,能量传输采用变压器进行隔离,信号系统隔离则是通过线性光耦,将输出信号反馈到PWM控制器。ellEETC-电子工程专辑

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光耦的工业应用领域非常广泛,例如电源、医疗、新能源、电机驱动、工业网络、工厂自动化和机器人。在汽车领域则有两个新兴发展市场,电动汽车和汽车充电桩。ellEETC-电子工程专辑

汽车中哪些光耦适用?ellEETC-电子工程专辑

电池是电动汽车的动力源,然后是电池充电器,以及驱动系统、模拟系统的反馈等等。不同的功能对应不同的型号,比如栅极驱动(IGBT或MOSFET)、电流检测、电压检测以及数字光耦等。ellEETC-电子工程专辑

IGBT模块可将前端电压信号通过ADC转换成数字量,再通过隔离运放传送到另外一边,而实现隔离和精确的数据转换。此外IGBT模块中具有一个NTC,用来检测模块温度,这个信号也可以采用光耦来传送。ellEETC-电子工程专辑

数字光耦功能比较简单,用于传送逻辑信号。根据应用场景的不同,可选择高中低速器件。ellEETC-电子工程专辑

充电桩的功能是从电网取电并整流给汽车充电。实现方案很多,都有用到光耦方案。ellEETC-电子工程专辑

车载充电器本身则受车体积的限制,能量密度相当的高。要想在车里把引擎、电池、充电器等塞进去非常困难。一般车载充电器功率在6~10kW之间,容量有限,要想把电池充满需要隔夜冲。ellEETC-电子工程专辑

它的好处是随时可以找到交流电来充电,缺点供电能力有限,所用器件需要选用车规,相对昂贵。ellEETC-电子工程专辑

直流充电桩或外置充电桩属于基础设施设备,功率可以很大,如100kW,200kW,充电时间可以大幅缩短。另外,工业级的器件可以直接使用。ellEETC-电子工程专辑

业界追求的充电时间是5到15分钟就可充满,或可充到80%左右,提供很好的续航里程。ellEETC-电子工程专辑

下图是直流充电桩内部的功能模块。在电源转换的过程中,我们需要保证MCU、HMI有足够的安全,即符合增强型绝缘。ellEETC-电子工程专辑

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博通智能驱动型光耦的发展方向是驱动能力大、驱动快,以及保护功能更多。ellEETC-电子工程专辑

此外,博通和许多业内公司合作开发了demo板,例如3300V/1700A的参考设计在网上提供。除了参考设计,以及在线演讲和视频资料,博通的网站上还提供有其他设计工具,例如Spice模型、IGBT电流检测、电流计算公式、功率和热等计算。ellEETC-电子工程专辑

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赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
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