電池技術(shù)的最新進(jìn)展，再加上環(huán)保和節(jié)能計(jì)劃，已加速了許多家用電器的無繩化發(fā)展。盡管移除電源可以為用戶提供更好的防觸電保護(hù)，但不能完全減輕風(fēng)險(xiǎn)，因此，功能安全仍然需要成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心原則。

本文探討了如何在家用電器中應(yīng)用功能安全性，并探討了采用ASIC與分立組件的方式進(jìn)行連接的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

針對家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的最新發(fā)展和增強(qiáng)包括用于人用設(shè)備的IEC 60335，用于無人值守的IEC 60730和用于鋰離子電池的UL 1642。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅凸顯了這些設(shè)備遵守保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)免受危險(xiǎn)和損壞的基本原理的日益重要的意義，而且使它們與工業(yè)，汽車，醫(yī)療和航空航天系統(tǒng)保持一致，在這些系統(tǒng)中，功能安全一直是一個(gè)熱門話題。

管理電池和控制電機(jī)

便攜式電池供電的設(shè)備通常使用鋰離子技術(shù)作為其首選電源，因?yàn)樗哂辛己玫哪芰恐亓勘?，是鎳鎘和鉛酸對應(yīng)物的五倍之多。鋰離子電池還具有更多的工作充放電循環(huán)次數(shù)。

但是，在使用鋰離子電池時(shí)要考慮一些注意事項(xiàng)，它們是敏感的，需要保持在其充電和放電曲線的邊界內(nèi)。它們不容許過度充電，因?yàn)檫^度充電會縮短使用壽命。在最壞的情況下，由于內(nèi)部熱失控過程會導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，其中電池溫度會升高到鋰熔點(diǎn)（180.5°C）。

在低溫下為鋰離子電池充電也是一個(gè)問題。低于0°C時(shí)，會發(fā)生內(nèi)部電鍍現(xiàn)象，這會損壞電池并損害電池安全性。

通過主動監(jiān)視電池的溫度，電壓和電流，并在達(dá)到臨界極限之前激活保護(hù)機(jī)制，可以解決上述問題。例如，如果我們查看便攜式吸塵器或無繩砂光機(jī)，就會發(fā)現(xiàn)對電池管理，電機(jī)速度控制和環(huán)境控制都需要。為了解決這個(gè)問題，工程師可以采用分立組件方法，也可以開發(fā)ASIC。

典型的電池/電機(jī)系統(tǒng)

如果我們首先看一下電池管理器的元件，則需要高精度的電壓感應(yīng)來確定鋰離子電池的充電狀態(tài)和溫度。它還通常需要高達(dá)16位分辨率的ADC來監(jiān)視可能危及產(chǎn)品安全性的緊急情況，例如過載或過熱。

此外，需要具有內(nèi)置閃存的MCU來處理鋰離子電池的監(jiān)控，并增加其他智能，用戶界面，調(diào)試，通信和輔助功能。

現(xiàn)在我們來看一下馬達(dá)。對于需要速度控制的電動機(jī)，傳統(tǒng)的解決方案是帶有PWM驅(qū)動器的無刷三相電動機(jī)。但是，此架構(gòu)中控制電子設(shè)備的成本將其限制在基于電源電壓的高端系統(tǒng)上。

轉(zhuǎn)向低壓電池操作導(dǎo)致了另一種范例，該范例利用了非常高效的低壓功率MOS開關(guān)，并使橋式整流電路得以集成。這帶來了一個(gè)額外的好處，即消除了對高壓電網(wǎng)隔離的需求。

圖1此框圖顯示了可促進(jìn)便攜式設(shè)備中電池管理和電機(jī)控制功能的ASIC。資料來源：EnSilica

ASIC與分立組件

ASIC已因成本高昂而聞名。這可能是幾年前的事了，ASIC的媒體報(bào)道通常通過關(guān)注由Google，Tesla和Apple以及為Google，Tesla和Apple開發(fā)的大型芯片來增強(qiáng)聲譽(yù)。這些ASIC使用領(lǐng)先的技術(shù)，這些技術(shù)要求單個(gè)掩膜集需要大量資金，而設(shè)計(jì)成本卻高達(dá)數(shù)億美元。

但是，大多數(shù)應(yīng)用程序不需要前沿技術(shù)，對于電池供電的設(shè)備來說確實(shí)如此。取而代之的是，電池供電的設(shè)備往往是簡單，小巧和低功耗的設(shè)備。因此，通過采用雙極性CMOS-DMOS（BCD）等更具成本效益的技術(shù)，該技術(shù)可將電源，閃存以及模擬和數(shù)字功能集成到單個(gè)設(shè)備中，從而可以大幅減少掩膜和設(shè)計(jì)費(fèi)用。

高壓MOSFET具有不同的掩膜選項(xiàng)和高達(dá)80V的額定電壓，可為基于鋰離子電池的電機(jī)控制提供ASIC硅解決方案。根據(jù)所需的電動機(jī)功率，也可以將驅(qū)動級集成到同一模具中。

BDC ASIC實(shí)現(xiàn)中的其他功能也幾乎無需額外成本就可實(shí)現(xiàn)，包括驅(qū)動器擺率控制，以實(shí)現(xiàn)更好的EMC性能，電橋短路檢測和關(guān)斷，芯片溫度監(jiān)控以及負(fù)載電壓和電流監(jiān)控。

CMOS專用生產(chǎn)掩模組的成本在28 nm時(shí)約為130萬美元，而在55/65 nm時(shí)約為40萬美元，而對于180 nm而言，成本則降至不足10萬美元（圖2）。隨著流程變得更加成熟，這些價(jià)值將繼續(xù)降低。例如，一個(gè)55/65 nm的掩模組大約是剛引入時(shí)的成本的三分之一。

圖2使用成熟的技術(shù)可以顯著降低掩膜套件的成本。資料來源：EnSilica

當(dāng)然，該過程并不是設(shè)計(jì)ASIC的唯一成本隱患。IP許可，開發(fā)和認(rèn)證成本也需要納入ROI計(jì)算中。

作為合理的經(jīng)驗(yàn)法則，如果您希望（a）實(shí)現(xiàn)更小，更高效，更難以模仿的設(shè)計(jì)，并且（b）每個(gè)產(chǎn)品線的電子組件支出超過200萬美元。

圖3ASIC還是COTS？這是最近匿名的現(xiàn)實(shí)世界中的安全關(guān)鍵設(shè)備的ROI分析。資料來源：EnSilica

最小化成本

因此，無論您是在內(nèi)部設(shè)計(jì)還是使用定制的ASIC開發(fā)人員，都可以使用三個(gè)黃金法則來降低NRE成本并提高ROI。

規(guī)則1：做好計(jì)劃

良好的規(guī)范對于成功至關(guān)重要。至關(guān)重要的是，準(zhǔn)確了解市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品以及客戶期望或想要的獨(dú)特功能或用戶體驗(yàn)。另一種選擇是缺少功能的自定義ASIC，或者指定過多的自定義ASIC。兩種方式都將失去與標(biāo)準(zhǔn)零件相比的優(yōu)勢。

規(guī)則2：使用經(jīng)過驗(yàn)證的IP塊

就像使用成熟的工藝將大大降低掩模板的成本一樣，使用經(jīng)過驗(yàn)證的IP模塊也可以使工程師更快地實(shí)現(xiàn)定制ASIC解決方案，并顯著降低出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

規(guī)則3：重用您的軟件（和ASIC）

軟件開發(fā)對項(xiàng)目NRE和上市時(shí)間均產(chǎn)生重大影響。確實(shí)，工具和軟件的開發(fā)可能是您在產(chǎn)品生命周期中將進(jìn)行的最大投資，因此，重復(fù)使用現(xiàn)有的應(yīng)用程序和軟件庫可以極大地幫助控制項(xiàng)目成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

還應(yīng)注意，如果可以在多個(gè)產(chǎn)品線中使用ASIC，則每個(gè)設(shè)備的NRE成本會進(jìn)一步降低。

編輯：hfy