電池技術(shù)的最新進(jìn)展，加上環(huán)境和能源效率舉措，加速了許多家用電器走向無(wú)線化的進(jìn)程。雖然移除主電源為用戶提供了更好的電擊保護(hù)，但風(fēng)險(xiǎn)并沒(méi)有完全降低，因此，功能安全仍然需要成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心原則。

本文著眼于如何在家用電器中應(yīng)用功能安全，并研究采用 ASIC 與分立元件路線的經(jīng)濟(jì)臨界點(diǎn)。

針對(duì)家用電器的安全標(biāo)準(zhǔn)和立法的最新發(fā)展和增強(qiáng)包括針對(duì)有人值守使用設(shè)備的 IEC 60335、針對(duì)無(wú)人值守使用的 IEC 60730 和針對(duì)鋰離子電池的 UL 1642。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅強(qiáng)調(diào)了這些設(shè)備在遵守保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)免受危險(xiǎn)和損害的基本原則方面越來(lái)越重要，而且使它們符合功能安全一直以來(lái)的工業(yè)、汽車、醫(yī)療和航空系統(tǒng)。一個(gè)熱門話題。

管理電池和控制電機(jī)

便攜式電池供電設(shè)備通常使用鋰離子技術(shù)作為首選電源，因?yàn)樗哂辛己玫哪芰恐亓勘?，是鎳鎘和鉛酸同類產(chǎn)品的五倍。鋰離子電池的操作充放電循環(huán)次數(shù)也多得多。

但是，在使用鋰離子電池時(shí)需要考慮一些因素，這些電池很敏感，需要保持在其充電和放電曲線的范圍內(nèi)。它們不能容忍過(guò)度充電，因?yàn)檫^(guò)度充電會(huì)縮短使用壽命。在最壞的情況下，由于內(nèi)部熱失控過(guò)程，它可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，其中電池溫度升高到鋰熔點(diǎn) （180.5°C）。

在低溫下為鋰離子電池充電也是一個(gè)問(wèn)題。低于 0°C 會(huì)發(fā)生內(nèi)部電鍍現(xiàn)象，這會(huì)損壞電芯并危及電池安全性。

通過(guò)主動(dòng)監(jiān)測(cè)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(wèn)題。例如，如果我們看一下便攜式真空吸塵器或無(wú)繩砂光機(jī)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)同時(shí)需要電池管理、電機(jī)速度控制和環(huán)境控制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師可以采用分立元件方法，或者他們可以開(kāi)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素，它需要高精度的電壓感應(yīng)來(lái)確定鋰離子電池的充電狀態(tài)和溫度。它通常還需要一個(gè)分辨率高達(dá) 16 位的 ADC 來(lái)監(jiān)控可能危及產(chǎn)品安全的嚴(yán)重情況，例如過(guò)載或過(guò)熱。

此外，需要具有內(nèi)置閃存的 MCU 來(lái)處理對(duì)鋰離子電池的監(jiān)控，并添加額外的智能、用戶界面、調(diào)試、通信和輔助功能。

現(xiàn)在我們看看電機(jī)。需要速度控制的電機(jī)的傳統(tǒng)解決方案是帶有 PWM 驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷三相電機(jī)。然而，這種架構(gòu)中控制電子設(shè)備的成本使其僅限于基于電源電壓的高端系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)向低壓電池操作導(dǎo)致了一種不同的范式，即利用非常高效的低壓功率 MOS 開(kāi)關(guān)，并能夠集成橋式整流電路。這帶來(lái)了一個(gè)額外的好處，即無(wú)需高壓電源隔離。

圖 1此框圖顯示了一個(gè) ASIC，它有助于便攜式設(shè)備中的電池管理和電機(jī)控制功能。資料來(lái)源：EnSilica

ASIC 與分立元件

ASIC 以昂貴而聞名。幾年前這可能是正確的，ASIC 的新聞報(bào)道經(jīng)常通過(guò)關(guān)注由 Google、Tesla 和 Apple 開(kāi)發(fā)的大型芯片來(lái)增強(qiáng)聲譽(yù)。這些 ASIC 使用領(lǐng)先的技術(shù)，單個(gè)掩模組需要巨額資金，設(shè)計(jì)成本高達(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)，電池供電設(shè)備當(dāng)然就是這種情況。相反，電池供電的電器往往是簡(jiǎn)單、小巧和低功耗的。因此，通過(guò)采用雙極型 CMOS-DMOS （BCD） 等更具成本效益的技術(shù)，可以將電源、閃存以及模擬和數(shù)字功能集成到單個(gè)器件中，從而可以大幅減少掩膜和設(shè)計(jì)費(fèi)用。

高壓 MOSFET 的不同掩蔽選項(xiàng)和高達(dá) ~80V 的額定電壓為基于鋰離子電池的電機(jī)控制提供了 ASIC 硅解決方案。根據(jù)所需的電機(jī)功率，也可以將驅(qū)動(dòng)級(jí)集成到同一個(gè)模具中。

在 BDC ASIC 實(shí)施中還可以實(shí)現(xiàn)其他功能，幾乎無(wú)需額外成本，包括用于更好 EMC 性能的驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率控制、電橋短路檢測(cè)和關(guān)斷、芯片熱監(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)為 130 萬(wàn)美元，在 55/65 nm 時(shí)為 40 萬(wàn)美元，180 nm 時(shí)降至 10 萬(wàn)美元以下（圖 2）。隨著流程變得更加成熟，這些值會(huì)繼續(xù)降低；例如，55/65 nm 掩模組的成本大約是首次引入時(shí)的三分之一。

圖 2使用成熟技術(shù)可顯著降低掩模組成本。資料來(lái)源：EnSilica

當(dāng)然，該過(guò)程并不是設(shè)計(jì) ASIC 的唯一成本影響。IP 許可、開(kāi)發(fā)和認(rèn)證成本也需要計(jì)入 ROI 計(jì)算。

作為一個(gè)合理的經(jīng)驗(yàn)法則，如果您希望 （a） 實(shí)現(xiàn)更小、更高效且更難模仿的設(shè)計(jì)，以及 （b）每個(gè)產(chǎn)品線的電子元件支出超過(guò) 200 萬(wàn)美元。

圖 3 ASIC 還是 COTS？這是最近匿名現(xiàn)實(shí)世界安全關(guān)鍵設(shè)備的投資回報(bào)率分析。資料來(lái)源：EnSilica

最小化成本

因此，無(wú)論您是在內(nèi)部設(shè)計(jì)還是使用定制的 ASIC 開(kāi)發(fā)人員，都可以使用三個(gè)黃金法則來(lái)降低 NRE 成本并提高投資回報(bào)率。

規(guī)則 1：好好計(jì)劃

一個(gè)好的規(guī)范是成功的關(guān)鍵。準(zhǔn)確了解市場(chǎng)上可用的產(chǎn)品以及客戶期望或想要的獨(dú)特功能或用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。替代方案將是缺少功能或過(guò)度指定的自定義 ASIC。這兩種方式都將失去優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)零件的優(yōu)勢(shì)。

規(guī)則 2：使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 IP 塊

正如使用成熟的工藝將顯著降低掩模組成本一樣，使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 IP 塊使工程師能夠更快地實(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（和您的 ASIC）

軟件開(kāi)發(fā)顯著影響項(xiàng)目 NRE 和上市時(shí)間。事實(shí)上，工具和軟件的開(kāi)發(fā)可能是您在產(chǎn)品生命周期中所做的最大投資，因此重用現(xiàn)有的應(yīng)用程序和軟件庫(kù)可以極大地幫助控制項(xiàng)目成本并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

還應(yīng)注意，如果 ASIC 可用于多個(gè)產(chǎn)品線，則每臺(tái)設(shè)備的 NRE 成本會(huì)進(jìn)一步降低。

Enrique Martinez是定制 ASIC 設(shè)計(jì)公司 EnSilica 的功能安全經(jīng)理。