最適合汽車電源IC發(fā)展的技術(shù)要求

1.汽車電子化進(jìn)程對電源IC的要求

近年來，汽車的電子化發(fā)展迅速。圍繞汽車的“高科技”電子設(shè)備的搭載越來越多，與傳統(tǒng)的機(jī)械控制占比較大的時(shí)代相比，電子控制、電動(dòng)設(shè)備所占比例變得非常大。預(yù)計(jì)汽車的電子化需求在未來也將依然強(qiáng)勁。

汽車電子化的主要原因有3大關(guān)鍵詞。

第一個(gè)關(guān)鍵詞是"環(huán)保"(eco)。這在HV(混合動(dòng)力汽車)、EV(電動(dòng)汽車)向普通車輛的普及過程中作用顯著。另外，各汽車制造商之間的低油耗化競爭也日益激化。這些突破是由復(fù)雜且周密的電子化控制來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然隨著HV、EV的普及和油耗性能的提升，所搭載的電子設(shè)備還會(huì)繼續(xù)增加。

第二個(gè)關(guān)鍵詞是"信息與舒適"(comfort)。除作為出行工具之外，汽車更多被視為日用品，其智能化也在不斷發(fā)展，例如可以下載并欣賞喜歡的音樂，在路上即可輕松獲得目的地的信息等。而為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要眾多通信相關(guān)的電子元器件。另外，與提高舒適性相關(guān)的電子化也在不斷發(fā)展，無需鑰匙即可開關(guān)車門和啟動(dòng)引擎的智能鑰匙在普通車輛中已基本普及等，使車內(nèi)越來越成為更舒適的空間。

最后一個(gè)關(guān)鍵詞是汽車不可欠缺的"安全"(satefy)。多年以來，汽車的安全性多采取強(qiáng)化車架鋼性、撞擊時(shí)的緩震以及對駕乘人員啟用安全氣囊等的危險(xiǎn)發(fā)生"事后"的對策。但是，近年來隨著電子設(shè)備性能的提升，已經(jīng)開始聚焦危險(xiǎn)發(fā)生"前"的對策。通過提高車載攝像頭和車載傳感器的精度與動(dòng)作可靠性，如今實(shí)現(xiàn)汽車行駛安全的電子設(shè)備已經(jīng)被確立為一個(gè)重要的領(lǐng)域，預(yù)計(jì)今后各種功能的安全設(shè)備將會(huì)相繼開發(fā)并投入市場。

汽車用電源IC幾乎可用于任何電子設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)這3大關(guān)鍵詞，對“低靜態(tài)電流”(待機(jī)電流低)、“低電壓工作”、“小型化、大電流”等性能的要求越來越高(圖1)。

(圖1)近年來的電子化背景與需求

ROHM利用獨(dú)有的電路設(shè)計(jì)，成功降低了靜態(tài)電流，為汽車的低功耗化做出巨大貢獻(xiàn)。例如，ROHM將實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高級別的6μA低靜態(tài)電流的車載LDO系列“BD7xxL2EFJ-C / BD7xxL5FP-C”和實(shí)現(xiàn)了僅為ROHM以往產(chǎn)品1/100的22μA低靜態(tài)電流的DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD99010 EFV-M / BD 99011EFV-M”投入量產(chǎn)，并獲得客戶高度好評。

2.高效化及其課題

剛剛提到伴隨著HV、EV的普及和油耗性能的提升，所搭載的電子設(shè)備還會(huì)繼續(xù)增加。這就使得電子元器件的高效化對油耗性能提升影響越來越大。

其中，電源IC由于連接于輸出端的所有電子元器件的消耗電流均會(huì)從中流過，而被定位為要求更高效率的電子元器件。

為滿足這種高效化需求，對電源IC進(jìn)行脈沖控制(PWM：Pulse Width Modulation和PFM：Pulse Frequency Modulation等)已成為必然趨勢，但這種控制方式又會(huì)對周圍元件產(chǎn)生噪音干擾(圖2)。

(圖2)車載電源IC的種類與特點(diǎn)

車載用電子元器件因噪音干擾而誤動(dòng)作，可能涉及到人身生命安全，因此，為使電子元器件在任何時(shí)候均可正常工作，產(chǎn)品必須符合CISPR25(發(fā)射干擾：產(chǎn)生干擾側(cè)的標(biāo)準(zhǔn))和ISO11452(抗干擾：受到干擾影響側(cè)的標(biāo)準(zhǔn))等電磁兼容相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)。

因此，對車載用產(chǎn)品來說，不妨礙其他設(shè)備(發(fā)射干擾)、以及受到其他設(shè)備妨礙時(shí)能保持本來的性能(抗干擾)是非常重要的。

EMC(Electromagnetic Compatibility)從EMI(發(fā)射干擾)和EMS(抗干擾度)兩種性能兼?zhèn)涞谋匾越嵌缺环Q為“電磁兼容性”。

3.工藝的發(fā)展及其課題

工藝的微細(xì)化曾遵從摩爾定律迅速發(fā)展，但如今已不見以往的顯著發(fā)展態(tài)勢。

像電源IC這樣的產(chǎn)品，耗電量較大的電源IC其功率損耗也大。其損耗成為熱量，從IC經(jīng)由PCB和封裝散發(fā)到外部(圖3)。

(圖3)封裝結(jié)構(gòu)圖(熱阻)

在車載等使用時(shí)周圍溫度較高的環(huán)境下，到達(dá)IC的使用溫度上限的容許溫差變小，從而必須極力控制其功率損耗導(dǎo)致的溫升。因此，需要改善(降低)芯片的散熱性能(熱阻)。

熱阻不僅受封裝的材質(zhì)、引線框架的材質(zhì)、固定芯片與框架的接合材質(zhì)影響，受到框架形狀和芯片尺寸的影響也很大。

遵循摩爾定律，芯片尺寸越來越小，使熱阻變高，即使消耗與以往相同的電量，芯片的溫升也會(huì)增大。

隨著車載控制設(shè)備的電子控制/電動(dòng)化發(fā)展，在被稱為“平臺化”的背景下，電子元器件的商品化也自然而然不斷發(fā)展。所以，即使熱阻增高，降低芯片尺寸也是必然選擇。

為解決這些問題，進(jìn)行控制設(shè)備的綜合散熱設(shè)計(jì)，使IC與PCB熱阻平衡變得越來越重要。

4.車載EMC對策例

如前所述，車載電子元器件必須符合CISPR25(發(fā)射干擾：產(chǎn)生干擾側(cè)的標(biāo)準(zhǔn))和ISO11452(抗干擾：受干擾影響側(cè)的標(biāo)準(zhǔn))等電磁兼容相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)。

這些噪音干擾根據(jù)傳輸路徑，可分為直接經(jīng)布線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)噪音和經(jīng)空氣傳輸?shù)妮椛湫栽胍?圖4,5)。

(圖4)同一PCB板上的噪音傳輸路徑

(圖5)來自PCB板間及PCB板外部的噪音傳輸路徑

輸入濾波器作為傳導(dǎo)噪音對策非常有效。

以Π型濾波器為做為基本型，針對未滿足標(biāo)準(zhǔn)的頻段，并聯(lián)阻抗較低的旁路電容。

下面的應(yīng)用實(shí)例DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD90640EFJ-C”就是采用以上這種噪音對策應(yīng)用示例。

在圖7的示例中，對于AM頻段噪音，使用Π型濾波器使之衰減;對于CB～FM頻段噪音，選用諧振頻率在20MHz左右的旁路電容使之衰減，以滿足CISPR25-Class5(圖6)要求。

(圖6)CISPR25傳輸干擾的極限值

(圖7)通過輸入濾波器作為傳導(dǎo)噪音對策示例

但是，在90MHz附近有噪音殘留，因此，通過再增加諧振頻率為100MHz左右的旁路電容，從而使所有頻段均滿足了Class5的要求。

最后，請注意，由于作為噪音對策所使用的電容的頻率特性因電壓、溫度依存性、尺寸及零部件廠家不同而不同，因此需要在使用前向廠家進(jìn)行確認(rèn)。

5.散熱對策時(shí)的注意事項(xiàng)

如前所述，隨著電子元器件向小型化發(fā)展，其發(fā)熱密度變高，因此，不僅確保配套設(shè)備整體的正常工作難度增加，而且確保壽命、可靠性也越來越難。

避免產(chǎn)生這些問題的散熱設(shè)計(jì)技術(shù)已成為非常重要的因素。

通常，只要知道PCB板貼裝時(shí)IC的熱阻θJA和功耗，或封裝頂部中心溫度TT熱性能參數(shù)ΨJT，即可知道IC大致的結(jié)點(diǎn)(接合部)溫度Tj。如何將該結(jié)點(diǎn)溫度Tj控制在絕對最大額定值以下是熱設(shè)計(jì)的根本。

此時(shí)必須要注意的是電子元器件的熱阻的定義。不同的廠家其定義、條件不同，這增加了熱設(shè)計(jì)的難度。雖然有JEDEC(半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))制定的JESD51標(biāo)準(zhǔn)系列等，但因各半導(dǎo)體廠家的理解不同，使得條件并未達(dá)到1對1的一致性，這是普遍現(xiàn)象。因此，在配套產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段需要注意。

一般半導(dǎo)體廠家定義的熱阻值是根據(jù)JESD51-2A(在305mm見方的外罩所包圍的無風(fēng)空間里，將安裝了1個(gè)IC的PCB板固定的狀態(tài))測量的，與配套產(chǎn)品實(shí)際的使用環(huán)境差異較大。

例如，圖8左端的PCB板條件為電子元器件的規(guī)格書上記載的條件。

(圖8)電子元器件的溫升與集成度關(guān)系

如中圖所示，當(dāng)配套產(chǎn)品使用多個(gè)該部件時(shí)，在很接近的狀態(tài)下配置會(huì)使每個(gè)部件的有效散熱面積減少。注意，這就意味著因熱阻增加導(dǎo)致各部件的溫度上升。

車載領(lǐng)域眾多ECU等使用的電源IC，同時(shí)也是我們身邊的電子設(shè)備不可或缺的產(chǎn)品。ROHM利用所擅長的模擬技術(shù)，打造出AC/DC轉(zhuǎn)換器IC及DC/DC轉(zhuǎn)換器IC等從一次側(cè)到二次側(cè)適用各種設(shè)備的豐富的產(chǎn)品陣容。未來，ROHM還將發(fā)力滿足前述的各種客戶需求的綜合應(yīng)用，進(jìn)一步完善產(chǎn)品陣容。