电源管理类芯片分类 汽车电机控制器的电源方案

 

1. 电源类芯片介绍

电源芯片是指对电源进行变换或者控制，为负载正常工作提供合适的电压或者电流的集成电路芯片，是模拟集成电路中非常重要的芯片种类，一般包括电源转换类芯片、参考基准类芯片，功率开关类芯片、电池管理类芯片等品类，以及一些特定应用场景的电源类产品。通常把电源转换类芯片根据芯片架构分为DC-DC与LDO（low dropout regulator）两种芯片。电源管理类芯片大致还可分为以下六种：

AC/DC调制IC，内含低电压控制电路及高压开关晶体管；

功率因数控制PFC预调制 IC，提供具有功率因数校正功能的电源输入电路；

脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC，为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关；

电池充电和管理IC。包括电池充电、保护及电量显示IC，以及可进行电池数据通讯“智能”电池 IC；

热插板控制IC（免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响）； MOSFET或IGBT的开关功能ic。  

对于处理器类复杂芯片或者有多颗负载芯片的复杂系统，往往需要多路电源轨，各路电源之间要符合严格的时序要求，有些系统还需求电压监测，看门狗、通信接口等功能，将这些功能集成到以电源为主体的芯片就衍生出PMU，SBC等产品类别。

电源芯片在汽车电子系统中应用广泛，汽车电子部件中会根据应用需求用到不同种类的电源芯片。随着汽车向电动化、网联化和智能化发展，单车电源芯片应用越来越多，新能源汽车电源芯片用量将超过百颗。

典型电源芯片应用案例，电源芯片在汽车电机控制器的应用，主要用于产生各类二级电源，如为主控芯片、相关采样电路、逻辑电路、功率器件驱动电路提供工作电源或参考电平。

图1是传统的汽车电机控制器的电源方案，该方案可以满足系统的供电需求，但无法满足产品具备一定的功能安全要求。

图1：无功能安全需求的电源架构

※资料来源：公开资料、编写单位提供

图2是在图1方案基础上，改用具有监测和诊断功能的SBC芯片，优化了弱电电源的监控及诊断功能，因此该架构具备了一定的功能安全等级（如ASIL B）。

图2：有一定功能安全要求的电源架构

※资料来源：公开资料、编写单位提供

图3是在前两者的基础上，低压电源的监控及诊断更为完善，同时增加了高压/低压的DC-DC备用电源，可以满足最高安全等级（ASIL D）的需求，虚线框内备注了利用该电源芯片搭建的电源拓扑。

图3：符合功能安全ASIL D的电源架构

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（注，此处所展示的电源拓扑仅为一定范围内调研的通用解决方案，不代表车在电机控制器内电源的所有应用案例，下同）。

2. 电源转换类芯片

闪存作为一种存储介质，广泛应用于固态硬盘，UFS，eMMC，SD卡，U盘等存储产品中；闪存是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。 车载系统电源通常来自于电池，乘用车与商用车一般分别采用12V与24V电池电压。由于车载系统特殊的工况，该电压存在一定的波动范围。对于车载系统中具体的用电芯片，往往不能直接使用电池电压，需要电源转换类芯片将电池电压转换到芯片所需的电压值。以下对DC-DC开关电源与LDO线性电源两类进行分析。 （1）DC-DC开关稳压器

DC-DC开关稳压器是指直流电压到直流电压稳压器，常指开关电源。DC-DC芯片的功率管工作于高频开关状态，利用电感、电容进行储能与滤波来达到电压转换的功能。 根据功率管是外置还是内部集成，可以把DC-DC芯片进一步分为直流转换控制器与直流开关转换器，通常针对大电流输出场景采用直流转换控制器架构，电流输出较小的应用场景采用集成功率管的直流开关转换器。根据输出电压与输入电压之间的关系，又可以分为Buck，Boost，Buck/Boost几种常用拓扑架构，除此之外还有Sepic，Cuk，Zeta等拓扑架构，由于后者在车载系统中应用相对较少，本文不做展开。 下表为DC-DC开关稳压器分类，主要功能，关键参数和应用场景。

DC-DC开关稳压器情况

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（2）LDO Regulator线性稳压器

LDO Regulator是指低压差（Low Drop-Out）线性稳压器，同样广泛应用于车载系统的电压转换。与DC-DC开关稳压器不同，线性稳压器的功率管并非工作于高频开关状态，而是工作于输出特性曲线的某个特定点。相比于DC-DC芯片，LDO有更低的噪声，外部被动器件少，电路简单，较少带来EMC干扰等优点。但是LDO的电源转换效率低，尤其是输入输出压差较大的时候，发热明显高于DC-DC，因此不适合大电流输出场景，通常输出电流在数百mA到数A以内。

对于LDO，根据输出电压的调节方式，又可分为通用型LDO以及跟随型LDO。通用型LDO的应用最为广泛，几乎每个车载系统都会有应用。跟随型LDO有特定的应用场景，需要该LDO的输出电压跟随另一路LDO的输出电压或基准电压的变化而变化。

下表为LDO Regulator线性稳压器分类，主要功能，关键参数和应用场景。

LDO Regulator线性稳压器情况

※资料来源：公开资料、编写单位提供

 

3. 国产电源转换类芯片发展情况

 

电源类芯片在汽车内应用较为广泛，国内企业技术发展相对成熟，以全志科技、华大半导体、圣邦微、瓴芯等为代表的国内企业在LDO、芯片、DCDC芯片、PMU芯片等应用领域均有较为成熟的产品，目前正在逐步开展国产导入。

（1）LDO芯片

国产LDO情况

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（2）DCDC芯片

国产DCDC芯片情况

编辑：黄飞