目前，汽車電子已成為繼智能手機之后的電子產(chǎn)業(yè)下一個強有力的增長點。但是，特斯拉、蔚來汽車自燃事故的頻發(fā)也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。汽車電子化/電動化的設(shè)計過程中存在安全、節(jié)能等各種挑戰(zhàn)。為此，日前ASPENCORE旗下電子工程專輯、國際電子商情和電子技術(shù)設(shè)計聯(lián)合舉辦了第19屆電源管理論壇——重點聚焦電動汽車的快充和新功率器件技術(shù)——邀請到業(yè)內(nèi)知名的半導體廠商，共同探討了目前業(yè)內(nèi)都有哪些好的解決方案以及他們又有哪些好的建議。TkHesmc

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SiC驅(qū)動在11kW OBC中的應用

鵬源電子的技術(shù)總監(jiān)張亮帶來議題“SiC驅(qū)動在11kW OBC中的應用”。他指出，SiC器件適用于高壓、高頻、高溫場合，總的來說可以提供更高的電壓、更低的損耗和更高的效率，在同樣的效率下可以提高開關(guān)頻率，減小無源器件體積，提高設(shè)計的功率密度。TkHesmc

他介紹說，電動汽車充電系統(tǒng)有以下發(fā)展趨勢：TkHesmc

1. 大功率。電動汽車電池容量越來越大，對充電速度和功率要求越來越高。然而，市場上主流的6.6kW充電器對于單相交流電輸入時已到極限。我國對單相交流電規(guī)定，最大輸入電流是32A，對于220V來說也就是7kW左右。因此6.6kW對于單相電來說已是極限。要想提高充電器功率，充電機需要支持三相輸入。
2. 續(xù)航里程增加，意味著電池容量要提高。車的體積會被電池占據(jù)大部分，留給其他電驅(qū)等設(shè)備的空間越來越小。而SiC適用于更高開關(guān)頻率，降低車載充電器的設(shè)計體積，便于提高效率，減輕車載重量。
3. 智能充電，有幾種應用場景?，F(xiàn)在的電動車，電池容量越來越大，例如55到85kWh。如果考慮到數(shù)以百萬千萬臺電動車的體量的話，可以形成巨大的儲能單元，即既可以作為負載，也可以作為能量源。這對電網(wǎng)可以起到削峰填谷的作用。電池也可以實現(xiàn)家庭斷電應急。電動車最擔心的就是沒有電。如果充電器可以設(shè)計成雙向的話，就可以彼此作為備份。那么，若行駛在高速路上沒有電了，朋友的車可以幫忙充電，讓你開到另一個充電點。針對這樣的應用場景，車載充電器就有雙向充放電的需求。

針對上述要求，鵬源制定了11kW車載充電器的設(shè)計規(guī)格，兼容三相和單相輸入，支持雙向充放電。TkHesmc

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系統(tǒng)設(shè)計框圖如下：TkHesmc

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為什么在這樣的拓撲里，碳化硅是更優(yōu)化的選擇？張總指出：TkHesmc

第一，三相輸入PFC的母線電壓會到650V~750V，這會讓MOS管的電壓應力至少到1000V，然后再算上裕量，可能需要選用1200V開關(guān)。TkHesmc

第二，電路在充電時等效于一個同步boost，放電時等效于同步buck。很少有人做同步整流的方案，因為它面臨二極管反向恢復問題。選用SiC相比Si MOSFET或CoolMOS等開關(guān)可以降低反向恢復損耗。TkHesmc

以下是設(shè)計結(jié)構(gòu)圖和實物圖：TkHesmc

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隔離產(chǎn)品在電動汽車的應用

芯科科技（Silicon Labs）高級現(xiàn)場應用工程師羅明華帶來“芯科科技隔離產(chǎn)品在電動汽車的應用”議題，他介紹說，隔離產(chǎn)品應用廣泛，用于實現(xiàn)輸出跟隨輸入，原邊和副邊沒有電流流過。市面主要的隔離技術(shù)有光隔離、變壓器或磁隔離，以及電容隔離。TkHesmc

為什么需要隔離？TkHesmc

1. 安全。例如動車從2kV高壓電線上取電。如果動車設(shè)備出現(xiàn)故障，導致這個高壓電傳遞到任何的人機界面上，就會出現(xiàn)人身安全問題。
2. 設(shè)備的原副邊和地之間需要抗干擾性能。
3. 消除噪聲。

他表示，光隔離是最早的隔離技術(shù)，迄今為止用了三四十年，所以有廣泛客戶基礎(chǔ)。但是隨著一些標準和應用場景的變化，光隔離可能難以滿足要求。光耦存在光衰問題，幾十年后可能導致信號源為高電平而被錯誤地判定為低電平。另外，光耦的填充介質(zhì)是高分子材料，會有較高的寄生電容，導致共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）較弱。TkHesmc

磁隔離是個線圈，包含三個部分：輸入、輸出、變壓器。它的成本不太有優(yōu)勢，變壓器的繞制會有成品率的問題。變壓器相當于天線，在EMI和EMC方面會有難度。TkHesmc

磁隔離所采用的絕緣介質(zhì)是常見的二氧化硅，非常穩(wěn)定，缺陷率低，絕緣強度高。TkHesmc

下面來看電動汽車發(fā)展趨勢。TkHesmc

48V輕混系統(tǒng)是基于現(xiàn)有的架構(gòu)加了一個48V系統(tǒng)。這樣可使CO2排放量減少25%。但超過36V安全電壓就會有安全隔離要求。因此在48V和12V之間需要采用隔離。TkHesmc

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他透露，特斯拉之所以選用芯科的電容隔離技術(shù)，是因為光耦有光衰/漂移問題，不太適合汽車的嚴苛要求（-40℃到+125℃，以及EMI/EMC問題）。TkHesmc

汽車級產(chǎn)品隔離挑戰(zhàn)如下：TkHesmc

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Silicon Labs的隔離產(chǎn)品有四大類。數(shù)字隔離器適用于各種總線應用，如I2C、RS-485、CAN等。模擬隔離器/隔離式ADC用于模擬信號的采樣，包括電壓和電流采樣。隔離柵極驅(qū)動器用于IGBT驅(qū)動。TkHesmc

他透露，一輛電動汽車上至少會用四五十個隔離器件，而特斯拉上用到了該公司二三十個型號。TkHesmc

在汽車上，CAN總線用在不同的電源領(lǐng)域，需要進行信號隔離。OBC上有些地方要求進行電壓或電流采樣，也需要用到隔離器。BMS以前采用主動均衡，而使電池的利用率提高。現(xiàn)在由于競爭激烈，有些廠商開始采用被動均衡（菊花鏈的方式）。這也需要用到隔離產(chǎn)品。電機驅(qū)動MCU和電機之間以及通信也需要進行隔離。TkHesmc

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電動汽車該選怎樣的電容技術(shù)？

基美電子（KEMET）NBD & Technical Sales范為俊帶來的主題是“KEMET products & Solution for EV (OBC, DC/DC, Converter) ”。他首先介紹說，鉭電容占到基美電子銷售額將近一半，該公司市場份額也是占到全球第一。鉭電容包括普通和聚合物兩種。聚合物是以后的趨勢?；离娮釉?013年也推出了車規(guī)聚合物產(chǎn)品，包括更高溫（175℃）的產(chǎn)品。TkHesmc

在MLCC方面，日系廠商占到很大份額，基美的產(chǎn)能只占到2到3%，但是在細分市場，特別是汽車市場，基美可以排到第三。TkHesmc

薄膜電容在汽車OBC和DC/DC中廣泛應用，例如直流支撐、諧振、交流濾波等。另外，該公司還有電解電容、電感、壓電傳感器和促動器（actuator）等產(chǎn)品。TkHesmc

他介紹，鉭電容有兩種技術(shù)，第一種是MnO2，俗稱黃鉭，有五六十年歷史了，已經(jīng)進入衰退期。第二種是聚合物，現(xiàn)在處于上升趨勢，銷售額已超過黃鉭。TkHesmc

鉭電容貴，貴在鉭粉，它是從鉀鹽中提煉出來的，產(chǎn)量非常的少，見下圖。TkHesmc

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黃鉭和聚合物鉭的區(qū)別在于負極材料。后者是高分子材料PEDT，優(yōu)勢是：TkHesmc

1. 可防爆，從而打消在汽車中使用的疑慮。
2. 電壓高。黃鉭只能做到50V，加上降額要求，比如降低一半，則只能用在25V以下的電源應用。聚合物鉭可以做到75V，如果留出10%到20%裕量（汽車上可以多留點），則可以用于48V甚至60V應用。
3. 能量密度大。對于25V應用，黃鉭最大只能做到15μF，而35V聚合物產(chǎn)品可以做到100μF。PS：電解電容壽命和高度是它的弱項，和MLCC比，鉭電容容量肯定更大，并且沒有材料本身的噪聲問題。

鉭電容的主要應用是DC/DC，例如服務器應用需要將48V電壓轉(zhuǎn)換成12V/19V/24V，再轉(zhuǎn)換成更低的電壓，例如3.3V、5V等。TkHesmc

下面是鉭電容在ADAS輔助駕駛中的應用。TkHesmc

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精密功耗測量、快充及電池性能分析和模擬

是德科技電源及精密產(chǎn)品部技術(shù)專員呂寶華探討了“精密功耗測量、快充及電池性能分析和模擬”議題。TkHesmc

他指出，續(xù)航里程的決定因素包括電池電量以及設(shè)備耗電量兩個方面。因此，業(yè)界在努力研究更低功耗的材料、器件以及設(shè)備。電池廠家也在研究更高密度、成本更低、充放電更靈活的電池技術(shù)，包括安全以及充放電倍率等。另外，在電池電量補給上也在研究快速充電和無線充電技術(shù)。TkHesmc

我們?nèi)绾尉_快速地測量動態(tài)功耗？下面的例子是個智能手表，包括待機、計步、藍牙連接、音樂等耗電狀態(tài)。這些狀態(tài)的測量用功率計就可以解決嗎？TkHesmc

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不管是無線設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)還是電動汽車，它們都存在類似的耗電測量挑戰(zhàn)，即：TkHesmc

1. 要測量功耗即測量電流（因為是恒壓源），然而電流的垂直刻度（大?。?mu;A、nA到mA甚至A變化，即動態(tài)范圍很大。
2. 脈沖時間很短，甚至達到ms級以下。
3. 長時間測試需要捕捉數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)月內(nèi)的所有脈沖。

這需要使用直流電源分析儀進行測試。它的特點如下：TkHesmc

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快速充電技術(shù)是智能手機首先提出，然后拓展到電動汽車應用。電池是否適合快充，需要了解它的充電特性（能長時間保持高壓差才能符合要求，例如容量達到90%時仍能維持一定壓差）。TkHesmc

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另外，DC/DC轉(zhuǎn)換器效率測試的工作量很大，因為要做效率的掃描。是得推薦采用電源分析儀或模塊化電源系統(tǒng)進行測試。TkHesmc

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紅外熱像儀測不準的原因以及如何規(guī)避

福祿克公司應用經(jīng)理羅海濤帶來議題“熱像改變您的工作，紅外熱分析技術(shù)交流”。他表示，紅外熱像儀可以讓電源設(shè)計工程師非常容易找到電路中哪些部分的溫度需要改善，需要加散熱器件來處理。但是要想用熱像儀準確測量溫度，還有一些小竅門。TkHesmc

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要得到清晰準確的熱像圖，其實很簡單，即對焦。熱像儀有四種對焦方式：激光自動對焦、自動對焦、手動對焦和免調(diào)焦。金屬會產(chǎn)生反射，玻璃等激光能穿透的物體會使對焦準確性下降，這些問題需要注意。TkHesmc

自動對焦對于距離比較遠、激光自動對焦辨識不到的現(xiàn)場，用這種方法比較好。自動對焦在使用時應盡量將目標放在中心位置。TkHesmc

手動對焦類似早期單反的手動對焦，適用于近距離和精密對焦的現(xiàn)場，特別是安裝微焦鏡頭的情況下。TkHesmc

下面這個實驗比較有意思。用熱像儀測不銹鋼杯子的溫度，上面貼了兩個膠帶，萬用表顯示的真實溫度為74.7℃，與熱像儀所測得的膠帶溫度相一致，而熱像儀測得的杯底溫度卻是36.4℃。這是什么原因造成的？發(fā)射率。非金屬材料（例如膠帶）的發(fā)射率通常是0.95，不銹鋼的發(fā)射率只有0.5不到。這個問題可以通過涂漆法、絕緣膠帶法、導熱硅脂法或空腔效應法（即在金屬上打孔）來規(guī)避。TkHesmc

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另外，紅外熱像儀一般只能看到目標表面的溫度分布，而不能看到密閉空間內(nèi)部。那怎么透過密閉外殼看到內(nèi)部呢？下面這個實驗當中，若觀察窗是玻璃或鋁板材質(zhì)，則不能看到后面燃燒的蠟燭。要能看到里面的情況，可以采用特殊材料來做紅外測溫窗口，例如氟化鈣等。TkHesmc

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車規(guī)保險絲、壓敏電阻設(shè)計還有這些小秘密

美國力特（Littelfuse）公司高級應用技術(shù)工程師蔣浩峰探討了“節(jié)能且高可靠的電動汽車解決方案”。他一開始就以特斯拉自燃爆炸事故為例，表達了汽車安全的重要性。TkHesmc

電動車存在各種保護需求，包括BMS、電池包、充電部分、MCU、DC/DC等。在充電部分，車載充電器由3.3kW、6.6kW向20kW發(fā)展，車外充電最大可以去到100kW，他指出。TkHesmc

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車載產(chǎn)品需要滿足車規(guī)標準，但保險絲一直以來沒有標準。Littelfuse作為AEC的成員，現(xiàn)在也在參與標準的制定。類似電阻電容的標準，該公司制定了一些保險絲的測試標準。TkHesmc

汽車環(huán)境其實對保險絲要求很高，例如汽車有振動、壽命的要求。傳統(tǒng)保險絲是絲和兩個端子焊接起來，這在車里面就有個問題，振動會導致焊錫斷開。因此，Littelfuse的車規(guī)保險絲是不采用焊錫方式，而是采用卡接方式。另外，傳統(tǒng)保險絲為了提高防爆能力，會加入石英砂，但這對于汽車應用而言，振動會導致石英砂和保險絲摩擦，從而帶來問題。Littelfuse的車規(guī)保險絲雖然也會加入石英砂，但是經(jīng)過了特殊處理。TkHesmc

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OBC中采用的壓敏電阻（MOV）會衰減老化，如果性能降低后繼續(xù)使用會炸開，嚴重的情況下會斷路起火。原因是它外面包裹的聚合物材料。不包這種材料又會有安規(guī)問題，絕緣強度不夠。壓敏電阻的另一個問題是耐溫不夠。以前所用壓敏電阻耐溫通常是85℃，現(xiàn)在Littelfuse的產(chǎn)品可以做到125℃。另外，壓敏電阻起火需要做保護。傳統(tǒng)的方法是在附近放一個熱敏電阻。這樣做，一是不能過波峰焊，需要手工焊；二是不可靠，因為可能有氣流存在。該公司有一種產(chǎn)品叫TMV，貼在壓敏電阻旁邊使用，能夠保證其100%不起火。TkHesmc

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另外，Littelfuse還有車規(guī)級的SiC MOSFET和二極管以及TVS等產(chǎn)品。SiC產(chǎn)品最高做到1200V，后續(xù)也會推出各種封裝形式。CAN總線應用也有各種防靜電、防浪涌產(chǎn)品。TkHesmc

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新能源汽車BMS及功能安全

中電港高級技術(shù)顧問印寧華探討了“新能源汽車BMS及功能安全”議題。他介紹說，中電港有三大核心業(yè)務。一是設(shè)計鏈服務，包括螢火工場、嵌入式應用中心和研發(fā)應用中心。二是元器件分銷，也是最核心的業(yè)務。三是供應鏈服務，包括物流、墊資、倉庫、保稅等。TkHesmc

今天所分享的是螢火工場電源應用中心的BMS項目，具體應用如下。TkHesmc

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純電動車的發(fā)展很平穩(wěn)，去年稍微放緩一些，但國家新能源汽車的趨勢一直向前走。在特斯拉和蔚來相繼失火后，大家也就新能源車的方向、國家的補助是不是會發(fā)生變化等問題在微信群里進行了熱烈的討論，他談道。但無論如何，新能源汽車采用的是電機驅(qū)動，可以避免一些早期的燃油發(fā)動機專利（例如ABB的專利），因此我們可以借此彎道超車，另外從國家戰(zhàn)略考慮，也可以避免石油能源卡脖子。從這個角度講，發(fā)展電動車是未來的一個方向。TkHesmc

新能源汽車的“三電”包括電機、電池、電控。BMS是指對鋰電池進行實時監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，主要功能如下。TkHesmc

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下面來看下中電港的BMS方案都有哪些。MC33771/2模擬前端最早前是來自飛思卡爾的方案，現(xiàn)在叫NXP方案。前者可以支持14-16串電池，后者可以支持4-6串。TkHesmc

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這個AFE采用菊花鏈的方式進行級聯(lián)，然后通過變壓器和收發(fā)器進行級聯(lián)隔離。雖然RC的方案相對變壓器簡單，成本具有優(yōu)勢，但共模抑制能力比較差，所以RC通常用于消費類，例如掃地機器人或便攜式應用上。而汽車應用具有很強的電磁輻射，因此需要采用變壓器來抑制共模噪聲。TkHesmc

都說核心帶動周邊。印工重點分析了MPC57系列MCU。“它采用POWERPC架構(gòu)，是MCU行業(yè)里安全等級最高的，”他介紹說，“但由于這個架構(gòu)沒有后續(xù)，中電港也會慢慢轉(zhuǎn)換到NXP的S32K系列。”TkHesmc

至于CAN、SPI、I2C等總線，實際應用中需要加隔離。CAN收發(fā)器、繼電器驅(qū)動等也需要做隔離、絕緣——特斯拉和蔚來自燃現(xiàn)象，是不是金屬擋板和BMS的絕緣受到破壞，產(chǎn)生比較大的短路電流？TkHesmc

下面這個做好的pcbA有很多重點客戶在用。右邊是模擬前端的放大圖，除了飛思卡爾的方案外，還有美信、瑞薩/Intersil的方案可供選擇。他指出，MCU是這塊板子的核心，而做車規(guī)級的產(chǎn)品，不管AFE用的是哪家的，MCU一定都是飛思卡爾的。TkHesmc

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他強調(diào)，汽車功能安全硬件開發(fā)需要符合ISO26262以及AEC-Q100/200等。在軟件開發(fā)方面，新能源汽車開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)AutoSAR現(xiàn)已越來越流行。中電港也對此提供培訓（螢火學堂）。TkHesmc

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AutoSAR軟件分層及模塊標準化功能安全設(shè)計為芯片供應商/方案設(shè)計商/整車廠帶來了聯(lián)合設(shè)計的可能，并具模塊復用高性價比功能、VFB（虛擬功能總線）及運行時環(huán)境（RTE），使得ECU應用層與基礎(chǔ)軟件層（BSW）無需映射優(yōu)化就可實現(xiàn)軟件組件（SWC）間和SWC與BSW的數(shù)據(jù)暢通交互。對動力單元的管理使其提升為新能源汽車的神經(jīng)中樞等成為行業(yè)熱點。TkHesmc

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另外，對于筆者現(xiàn)場提問，中電港在原廠的基礎(chǔ)上提供哪些增值服務？印工表示，針對不同的應用，原廠只是提供前端，我們要加隔離、加驅(qū)動，實際上是整套的解決方案。這個方案要涉及到硬件以及軟件，例如SoC電量檢測等，里面對各種場景要調(diào)整自己的軟件。這個軟件是我們的核心技術(shù)，我們有個大咖，叫張工，很有名氣。TkHesmc

對于“中電港開發(fā)出來的板子怎么針對場景做測試”的問題，印工回答說，我們不能完全孤立地做一個拍腦袋或靠做PPT出來的電路圖。我們要根據(jù)客戶電池的容量/功率等，把我們的板子加到他們的電池上去做實際測試，例如通信電源/儲能電源，要加上去跑一兩個星期看有沒有故障。另外，對于汽車廠來說需要駐廠。我們有幾十家新能源整車廠的案子，都是聯(lián)合設(shè)計，包括我們debug程序，都是全面的測試。TkHesmc