如何使用ASIC实现在家用电器中应用功能安全性

电池技术的最新进展，再加上环保和节能计划，已加速了许多家用电器的无绳化发展。尽管移除电源可以为用户提供更好的防触电保护，但不能完全减轻风险，因此，功能安全仍然需要成为系统设计的核心原则。

本文探讨了如何在家用电器中应用功能安全性，并探讨了采用ASIC与分立组件的方式进行连接的经济转折点。

针对家用电器的安全标准和法规的最新发展和增强包括用于人用设备的IEC 60335，用于无人值守的IEC 60730和用于锂离子电池的UL 1642。这些标准不仅凸显了这些设备遵守保护人员和财产免受危险和损坏的基本原理的日益重要的意义，而且使它们与工业，汽车，医疗和航空航天系统保持一致，在这些系统中，功能安全一直是一个热门话题。

管理电池和控制电机

便携式电池供电的设备通常使用锂离子技术作为其首选电源，因为它具有良好的能量重量比，是镍镉和铅酸对应物的五倍之多。锂离子电池还具有更多的工作充放电循环次数。

但是，在使用锂离子电池时要考虑一些注意事项，它们是敏感的，需要保持在其充电和放电曲线的边界内。它们不容许过度充电，因为过度充电会缩短使用寿命。在最坏的情况下，由于内部热失控过程会导致火灾或爆炸，其中电池温度会升高到锂熔点（180.5°C）。

在低温下为锂离子电池充电也是一个问题。低于0°C时，会发生内部电镀现象，这会损坏电池并损害电池安全性。

通过主动监视电池的温度，电压和电流，并在达到临界极限之前激活保护机制，可以解决上述问题。例如，如果我们查看便携式吸尘器或无绳砂光机，就会发现对电池管理，电机速度控制和环境控制都需要。为了解决这个问题，工程师可以采用分立组件方法，也可以开发ASIC。

典型的电池/电机系统

如果我们首先看一下电池管理器的元件，则需要高精度的电压感应来确定锂离子电池的充电状态和温度。它还通常需要高达16位分辨率的ADC来监视可能危及产品安全性的紧急情况，例如过载或过热。

此外，需要具有内置闪存的MCU来处理锂离子电池的监控，并增加其他智能，用户界面，调试，通信和辅助功能。

现在我们来看一下马达。对于需要速度控制的电动机，传统的解决方案是带有PWM驱动器的无刷三相电动机。但是，此架构中控制电子设备的成本将其限制在基于电源电压的高端系统上。

转向低压电池操作导致了另一种范例，该范例利用了非常高效的低压功率MOS开关，并使桥式整流电路得以集成。这带来了一个额外的好处，即消除了对高压电网隔离的需求。

图1此框图显示了可促进便携式设备中电池管理和电机控制功能的ASIC。资料来源：EnSilica

ASIC与分立组件

ASIC已因成本高昂而闻名。这可能是几年前的事了，ASIC的媒体报道通常通过关注由Google，Tesla和Apple以及为Google，Tesla和Apple开发的大型芯片来增强声誉。这些ASIC使用领先的技术，这些技术要求单个掩膜集需要大量资金，而设计成本却高达数亿美元。

但是，大多数应用程序不需要前沿技术，对于电池供电的设备来说确实如此。取而代之的是，电池供电的设备往往是简单，小巧和低功耗的设备。因此，通过采用双极性CMOS-DMOS（BCD）等更具成本效益的技术，该技术可将电源，闪存以及模拟和数字功能集成到单个设备中，从而可以大幅减少掩膜和设计费用。

高压MOSFET具有不同的掩膜选项和高达80V的额定电压，可为基于锂离子电池的电机控制提供ASIC硅解决方案。根据所需的电动机功率，也可以将驱动级集成到同一模具中。

BDC ASIC实现中的其他功能也几乎无需额外成本就可实现，包括驱动器摆率控制，以实现更好的EMC性能，电桥短路检测和关断，芯片温度监控以及负载电压和电流监控。

CMOS专用生产掩模组的成本在28 nm时约为130万美元，而在55/65 nm时约为40万美元，而对于180 nm而言，成本则降至不足10万美元（图2）。随着流程变得更加成熟，这些价值将继续降低。例如，一个55/65 nm的掩模组大约是刚引入时的成本的三分之一。

图2使用成熟的技术可以显着降低掩膜套件的成本。资料来源：EnSilica

当然，该过程并不是设计ASIC的唯一成本隐患。IP许可，开发和认证成本也需要纳入ROI计算中。

作为合理的经验法则，如果您希望（a）实现更小，更高效，更难以模仿的设计，并且（b）每个产品线的电子组件支出超过200万美元。

图3 ASIC还是COTS？这是最近匿名的现实世界中的安全关键设备的ROI分析。资料来源：EnSilica

最小化成本

因此，无论您是在内部设计还是使用定制的ASIC开发人员，都可以使用三个黄金法则来降低NRE成本并提高ROI。

规则1：做好计划

良好的规范对于成功至关重要。至关重要的是，准确了解市场上现有的产品以及客户期望或想要的独特功能或用户体验。另一种选择是缺少功能的自定义ASIC，或者指定过多的自定义ASIC。两种方式都将失去与标准零件相比的优势。

规则2：使用经过验证的IP块

就像使用成熟的工艺将大大降低掩模板的成本一样，使用经过验证的IP模块也可以使工程师更快地实现定制ASIC解决方案，并显着降低出错的风险。

规则3：重用您的软件（和ASIC）

软件开发对项目NRE和上市时间均产生重大影响。确实，工具和软件的开发可能是您在产品生命周期中将进行的最大投资，因此，重复使用现有的应用程序和软件库可以极大地帮助控制项目成本并缩短产品上市时间。

还应注意，如果可以在多个产品线中使用ASIC，则每个设备的NRE成本会进一步降低。

编辑：hfy