一文讀懂汽車(chē)芯片—電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片

1. 電源類(lèi)芯片介紹

電源芯片是指對(duì)電源進(jìn)行變換或者控制，為負(fù)載正常工作提供合適的電壓或者電流的集成電路芯片，是模擬集成電路中非常重要的芯片種類(lèi)，一般包括電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片、參考基準(zhǔn)類(lèi)芯片，功率開(kāi)關(guān)類(lèi)芯片、電池管理類(lèi)芯片等品類(lèi)，以及一些特定應(yīng)用場(chǎng)景的電源類(lèi)產(chǎn)品。通常把電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片根據(jù)芯片架構(gòu)分為DC-DC與LDO（low dropout regulator）兩種芯片。電源管理類(lèi)芯片大致還可分為以下六種：

AC/DC調(diào)制IC，內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開(kāi)關(guān)晶體管；

功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制 IC，提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路；

脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC，為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器，用于驅(qū)動(dòng)外部開(kāi)關(guān)；

電池充電和管理IC。包括電池充電、保護(hù)及電量顯示IC，以及可進(jìn)行電池?cái)?shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC；

熱插板控制IC（免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響）；

MOSFET或IGBT的開(kāi)關(guān)功能ic。

對(duì)于處理器類(lèi)復(fù)雜芯片或者有多顆負(fù)載芯片的復(fù)雜系統(tǒng)，往往需要多路電源軌，各路電源之間要符合嚴(yán)格的時(shí)序要求，有些系統(tǒng)還需求電壓監(jiān)測(cè)，看門(mén)狗、通信接口等功能，將這些功能集成到以電源為主體的芯片就衍生出PMU，SBC等產(chǎn)品類(lèi)別。

電源芯片在汽車(chē)電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，汽車(chē)電子部件中會(huì)根據(jù)應(yīng)用需求用到不同種類(lèi)的電源芯片。隨著汽車(chē)向電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化發(fā)展，單車(chē)電源芯片應(yīng)用越來(lái)越多，新能源汽車(chē)電源芯片用量將超過(guò)百顆。

典型電源芯片應(yīng)用案例，電源芯片在汽車(chē)電機(jī)控制器的應(yīng)用，主要用于產(chǎn)生各類(lèi)二級(jí)電源，如為主控芯片、相關(guān)采樣電路、邏輯電路、功率器件驅(qū)動(dòng)電路提供工作電源或參考電平。

圖1是傳統(tǒng)的汽車(chē)電機(jī)控制器的電源方案，該方案可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的供電需求，但無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品具備一定的功能安全要求。

圖1：無(wú)功能安全需求的電源架構(gòu)

※資料來(lái)源：公開(kāi)資料、編寫(xiě)單位提供

圖2是在圖1方案基礎(chǔ)上，改用具有監(jiān)測(cè)和診斷功能的SBC芯片，優(yōu)化了弱電電源的監(jiān)控及診斷功能，因此該架構(gòu)具備了一定的功能安全等級(jí)（如ASIL B）。

圖2：有一定功能安全要求的電源架構(gòu)

?※資料來(lái)源：公開(kāi)資料、編寫(xiě)單位提供

圖3是在前兩者的基礎(chǔ)上，低壓電源的監(jiān)控及診斷更為完善，同時(shí)增加了高壓/低壓的DC-DC備用電源，可以滿(mǎn)足最高安全等級(jí)（ASIL D）的需求，虛線(xiàn)框內(nèi)備注了利用該電源芯片搭建的電源拓?fù)洹?/p>

圖3：符合功能安全ASIL D的電源架構(gòu)

?※資料來(lái)源：公開(kāi)資料、編寫(xiě)單位提供

（注，此處所展示的電源拓?fù)鋬H為一定范圍內(nèi)調(diào)研的通用解決方案，不代表車(chē)在電機(jī)控制器內(nèi)電源的所有應(yīng)用案例，下同）。

2. 電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片

閃存作為一種存儲(chǔ)介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于固態(tài)硬盤(pán)，UFS，eMMC，SD卡，U盤(pán)等存儲(chǔ)產(chǎn)品中；閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，即斷電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。車(chē)載系統(tǒng)電源通常來(lái)自于電池，乘用車(chē)與商用車(chē)一般分別采用12V與24V電池電壓。由于車(chē)載系統(tǒng)特殊的工況，該電壓存在一定的波動(dòng)范圍。對(duì)于車(chē)載系統(tǒng)中具體的用電芯片，往往不能直接使用電池電壓，需要電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片將電池電壓轉(zhuǎn)換到芯片所需的電壓值。以下對(duì)DC-DC開(kāi)關(guān)電源與LDO線(xiàn)性電源兩類(lèi)進(jìn)行分析。（1）DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是指直流電壓到直流電壓穩(wěn)壓器，常指開(kāi)關(guān)電源。DC-DC芯片的功率管工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，利用電感、電容進(jìn)行儲(chǔ)能與濾波來(lái)達(dá)到電壓轉(zhuǎn)換的功能。根據(jù)功率管是外置還是內(nèi)部集成，可以把DC-DC芯片進(jìn)一步分為直流轉(zhuǎn)換控制器與直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，通常針對(duì)大電流輸出場(chǎng)景采用直流轉(zhuǎn)換控制器架構(gòu)，電流輸出較小的應(yīng)用場(chǎng)景采用集成功率管的直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系，又可以分為Buck，Boost，Buck/Boost幾種常用拓?fù)浼軜?gòu)，除此之外還有Sepic，Cuk，Zeta等拓?fù)浼軜?gòu)，由于后者在車(chē)載系統(tǒng)中應(yīng)用相對(duì)較少，本文不做展開(kāi)。下表為DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器分類(lèi)，主要功能，關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。

DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器情況

※資料來(lái)源：公開(kāi)資料、編寫(xiě)單位提供

（2）LDO Regulator線(xiàn)性穩(wěn)壓器

LDO Regulator是指低壓差（Low Drop-Out）線(xiàn)性穩(wěn)壓器，同樣廣泛應(yīng)用于車(chē)載系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換。與DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不同，線(xiàn)性穩(wěn)壓器的功率管并非工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而是工作于輸出特性曲線(xiàn)的某個(gè)特定點(diǎn)。相比于DC-DC芯片，LDO有更低的噪聲，外部被動(dòng)器件少，電路簡(jiǎn)單，較少帶來(lái)EMC干擾等優(yōu)點(diǎn)。但是LDO的電源轉(zhuǎn)換效率低，尤其是輸入輸出壓差較大的時(shí)候，發(fā)熱明顯高于DC-DC，因此不適合大電流輸出場(chǎng)景，通常輸出電流在數(shù)百mA到數(shù)A以?xún)?nèi)。

對(duì)于LDO，根據(jù)輸出電壓的調(diào)節(jié)方式，又可分為通用型LDO以及跟隨型LDO。通用型LDO的應(yīng)用最為廣泛，幾乎每個(gè)車(chē)載系統(tǒng)都會(huì)有應(yīng)用。跟隨型LDO有特定的應(yīng)用場(chǎng)景，需要該LDO的輸出電壓跟隨另一路LDO的輸出電壓或基準(zhǔn)電壓的變化而變化。

下表為L(zhǎng)DO Regulator線(xiàn)性穩(wěn)壓器分類(lèi)，主要功能，關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。

LDO Regulator線(xiàn)性穩(wěn)壓器情況

※資料來(lái)源：公開(kāi)資料、編寫(xiě)單位提供

3. 國(guó)產(chǎn)電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片發(fā)展情況

電源類(lèi)芯片在汽車(chē)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，以全志科技、華大半導(dǎo)體、圣邦微、瓴芯等為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)在LDO、芯片、DCDC芯片、PMU芯片等應(yīng)用領(lǐng)域均有較為成熟的產(chǎn)品，目前正在逐步開(kāi)展國(guó)產(chǎn)導(dǎo)入。

（1）LDO芯片

國(guó)產(chǎn)LDO情況