最适合汽车电源IC发展的技术要求

2014年12月1日

【ROHM半导体(上海)有限公司 12月1日上海讯】
1. 汽车电子化进程对电源IC的要求
近年来,汽车的电子化发展迅速。围绕汽车的 "高科技" 电子设备的搭载越来越多,与传统的机械控制占比较大的时代相比,电子控制、电动设备所占比例变得非常大。预计汽车的电子化需求在未来也将依然强劲。
汽车电子化的主要原因有3大关键词。
第一个关键词是 "环保" (eco)。这在HV(混合动力汽车)、EV(电动汽车)向普通车辆的普及过程中作用显著。另外,各汽车制造商之间的低油耗化竞争也日益激化。这些突破是由复杂且周密的电子化控制来实现的,当然随着HV、EV的普及和油耗性能的提升,所搭载的电子设备还会继续增加。
第二个关键词是 "信息与舒适" (comfort)。除作为出行工具之外,汽车更多被视为日用品,其智能化也在不断发展,例如可以下载并欣赏喜欢的音乐,在路上即可轻松获得目的地的信息等。而为了实现这些功能,需要众多通信相关的电子元器件。另外,与提高舒适性相关的电子化也在不断发展,无需钥匙即可开关车门和启动引擎的智能钥匙在普通车辆中已基本普及等,使车内越来越成为更舒适的空间。
最后一个关键词是汽车不可欠缺的 "安全" (satefy)。多年以来,汽车的安全性多采取强化车架钢性、撞击时的缓震以及对驾乘人员启用安全气囊等的危险发生 "事后" 的对策。但是,近年来随着电子设备性能的提升,已经开始聚焦危险发生 "前" 的对策。通过提高车载摄像头和车载传感器的精度与动作可靠性,如今实现汽车行驶安全的电子设备已经被确立为一个重要的领域,预计今后各种功能的安全设备将会相继开发并投入市场。
汽车用电源IC几乎可用于任何电子设备,为实现这3大关键词,对 "低静态电流" (待机电流低)、 "低电压工作" 、 "小型化、大电流" 等性能的要求越来越高(图1)。

年来的电子化背景与需求
(图1)近年来的电子化背景与需求

ROHM利用独有的电路设计,成功降低了静态电流,为汽车的低功耗化做出巨大贡献。例如,ROHM将实现了业界最高级别的6µA低静态电流的车载LDO系列 "BD7xxL2EFJ-C / BD7xxL5FP-C" 和实现了仅为ROHM以往产品1/100的22µA低静态电流的DC/DC转换器IC "BD99010 EFV-M / BD 99011EFV-M" 投入量产,并获得客户高度好评。

2. 高效化及其课题
刚刚提到伴随着HV、EV的普及和油耗性能的提升,所搭载的电子设备还会继续增加。这就使得电子元器件的高效化对油耗性能提升影响越来越大。
其中,电源IC由于连接于输出端的所有电子元器件的消耗电流均会从中流过,而被定位为要求更高效率的电子元器件。
为满足这种高效化需求,对电源IC进行脉冲控制(PWM:Pulse Width Modulation 和PFM:Pulse Frequency Modulation等)已成为必然趋势,但这种控制方式又会对周围元件产生噪音干扰(图2)。

车载电源IC的种类与特点
(图2)车载电源IC的种类与特点

车载用电子元器件因噪音干扰而误动作,可能涉及到人身生命安全,因此,为使电子元器件在任何时候均可正常工作,产品必须符合CISPR25(发射干扰:产生干扰侧的标准)和ISO11452(抗干扰:受到干扰影响侧的标准)等电磁兼容相关的各种标准。
因此,对车载用产品来说,不妨碍其他设备(发射干扰)、以及受到其他设备妨碍时能保持本来的性能(抗干扰)是非常重要的。
EMC(Electromagnetic Compatibility)从EMI(发射干扰)和EMS(抗干扰度)两种性能兼备的必要性角度被称为 "电磁兼容性" 。

3. 工艺的发展及其课题
工艺的微细化曾遵从摩尔定律迅速发展,但如今已不见以往的显著发展态势。
像电源IC这样的产品,耗电量较大的电源IC其功率损耗也大。其损耗成为热量,从IC经由PCB和封装散发到外部(图3)。

封装结构图(热阻)
(图3)封装结构图(热阻)

在车载等使用时周围温度较高的环境下,到达IC的使用温度上限的容许温差变小,从而必须极力控制其功率损耗导致的温升。因此,需要改善(降低)芯片的散热性能(热阻)。
热阻不仅受封装的材质、引线框架的材质、固定芯片与框架的接合材质影响,受到框架形状和芯片尺寸的影响也很大。
遵循摩尔定律,芯片尺寸越来越小,使热阻变高,即使消耗与以往相同的电量,芯片的温升也会增大。
随着车载控制设备的电子控制 / 电动化发展,在被称为 "平台化" 的背景下,电子元器件的商品化也自然而然不断发展。所以,即使热阻增高,降低芯片尺寸也是必然选择。
为解决这些问题,进行控制设备的综合散热设计,使IC与PCB热阻平衡变得越来越重要。

4. 车载EMC对策例
如前所述,车载电子元器件必须符合 CISPR25(发射干扰:产生干扰侧的标准)和ISO11452(抗干扰:受干扰影响侧的标准)等电磁兼容相关的各种标准。
这些噪音干扰根据传输路径,可分为直接经布线传输的传导噪音和经空气传输的辐射性噪音(图4,5)。

同一PCB板上的噪音传输路径
(图4)同一PCB板上的噪音传输路径

来自PCB板间及PCB板外部的噪音传输路径
(图5)来自PCB板间及PCB板外部的噪音传输路径

输入滤波器作为传导噪音对策非常有效。
以Π型滤波器为做为基本型,针对未满足标准的频段,并联阻抗较低的旁路电容。
下面的应用实例DC/DC转换器IC "BD90640EFJ-C" 就是采用以上这种噪音对策应用示例。
在图6的示例中,对于AM频段噪音,使用Π型滤波器使之衰减;对于CB~FM频段噪音,选用谐振频率在20MHz左右的旁路电容使之衰减,以满足CISPR25-Class5要求。

CISPR25传输干扰的极限值dB(µV)

服务/频段 频率 MHz Class5
峰值 平均值
VW(AM) 0.15 ~ 0.30 70 50
MW(AM) 0.53 ~ 1.8 54 34
SW(AM) 5.9 ~ 6.2 53 33
FM 76 ~ 108 38 18
TV Band I 41 ~ 88 34 24
CB 26 ~ 28 44 24
VHF(FM) 30 ~ 54 44 24
VHF(FM) 68 ~ 87 38 18


(图6)通过输入滤波器作为传导噪音对策示例

但是,在90MHz附近有噪音残留,因此,通过再增加谐振频率为100MHz左右的旁路电容,从而使所有频段均满足了Class5的要求。
最后,请注意,由于作为噪音对策所使用的电容的频率特性因电压、温度依存性、尺寸及零部件厂家不同而不同,因此需要在使用前向厂家进行确认。

5. 散热对策时的注意事项
如前所述,随着电子元器件向小型化发展,其发热密度变高,因此,不仅确保配套设备整体的正常工作难度增加,而且确保寿命、可靠性也越来越难。
避免产生这些问题的散热设计技术已成为非常重要的因素。
通常,只要知道PCB板贴装时IC的热阻θJA和功耗,或封装顶部中心温度TT热性能参数ΨJT,即可知道IC大致的结点(接合部)温度Tj。如何将该结点温度Tj控制在绝对最大额定值以下是热设计的根本。
此时必须要注意的是电子元器件的热阻的定义。不同的厂家其定义、条件不同,这增加了热设计的难度。虽然有JEDEC(半导体标准协会)制定的JESD51标准系列等,但因各半导体厂家的理解不同,使得条件并未达到1对1的一致性,这是普遍现象。因此,在配套产品设计阶段需要注意。
一般半导体厂家定义的热阻值是根据JESD51-2A(在305mm见方的外罩所包围的无风空间里,将安装了1个IC的PCB板固定的状态)测量的,与配套产品实际的使用环境差异较大。
例如,图7左端的PCB板条件为电子元器件的规格书上记载的条件。

电子元器件的温升与集成度关系
(图7)电子元器件的温升与集成度关系

如中图所示,当配套产品使用多个该部件时,在很接近的状态下配置会使每个部件的有效散热面积减少。注意,这就意味着因热阻增加导致各部件的温度上升。

车载领域众多ECU等使用的电源IC,同时也是我们身边的电子设备不可或缺的产品。ROHM利用所擅长的模拟技术,打造出AC/DC转换器IC及DC/DC转换器IC等从一次侧到二次侧适用各种设备的丰富的产品阵容。未来,ROHM还将发力满足前述的各种客户需求的综合应用,进一步完善产品阵容。

?于?个?品的??