图1  先进的汽车智能型功率SoC提供内嵌微电脑及闪存内存

先进的汽车智能型功率SoC

智能型功率技术支持以单颗芯片集成宽范围的功能。图1显示的是安森美半导体提供的先进的汽车级智能型功率SoC，包含多种功能：信号接口功能，如LIN接口及传感器接口；数字信号处理及控制功能，如微控制器、随机存取内存（RAM）、只读内存（ROM）及内嵌闪存；模拟低压－高压（LV－HV）功能（电压达60V），如稳压器、一次性可编程序调整（OTP－trimming）、模拟数字转换器（ADC）；集成电源驱动器，支持以数安培电流开关。

真正的智能型功率SoC的推出，将使由众多电子控制单元（ECU）构成的汽车系统大为简化，继而降低系统总成本。

图2  不同的BCD工艺

利用BCD工艺降低智能型功率SoC成本

用于制造智能型功率SoC的BCD（Bipolar－CMOS－DMOS）工艺是在基底（Underlying）互补型金属氧化物半导体（CMOS）上增添一些工艺模块、光罩（mask）及为CMOS逻辑增加模拟、高压及电源功能而构成的。图2所示为不同的BCD工艺。BCD工艺在CMOS制造线制造，以高质量及低成本运作，从而能够以低成本制造智能型功率SoC。

BCD工艺的小型化显示出遵循摩尔定律，但与CMOS路线图相比，BCD滞后3～4代（6～8年）。通过汽车认证的BCD工艺通常会再滞后2年。

在降低成本的同时保持坚固性

除了技术节点缩小，智能型功率技术也出现了其他重要创新，可以进一步缩减模拟高压及驱动器的尺寸及成本，同时维持高坚固性。

深沟槽隔离（Deep Trench Isolation）技术透过替代成本高、占用面积大的结点隔离（Junction Isolation）技术，使模拟高压部件的尺寸大幅缩小。例如，此技术支持缩小60V技术的隔离面积达30倍。

图3  AFS前照灯分布式控制系统智能型功率SoC

增强型BCD组件架构的开发进一步减小了导通电阻面积，并提升汽车应用要求的坚固性，如增强了系统静电放电（ESD）及安全工作区（SOA）表现。

改进的双扩散金属氧化物半导体（DMOS）组件架构进一步减小了单位面积的导通电阻。

目前，安森美半导体的汽车BCD技术符合了200℃结点温度要求，实现芯片（特别是电源段芯片）尺寸大为缩小。

智能型功率SoC的严格环境

汽车系统环境可以简化为下面的三种类型，即电源线路、车内网络（IVN）和输出驱动器电源线路。

智能型电源SoC必须坚固，能够抵御汽车环境中滋生的高能量突发噪声。如负载突降浪涌（Load Dump Surge），交流发电动机是汽车中的单一内部电流供应源，有时候会成为最大的噪声源，可能损毁电子组件；

通信接口可靠性要求，嘈杂汽车环境及协议（LIN规范包2.1版、ISO11898－1机动车－CAN（控制器局域网络）第一部分：数据链路层及实体信令）要求车内网络具有高通信可靠性。

汽车电气系统要求采用交流发电机供电。交流发电机在停止及起动系统、怠速停止系统中用作起动器。在起动及停止系统中，场效应晶体管（FET）可以主动钳位负载突降。

图4  智能型功率SoC参数设定

配合汽车系统的BCD工艺

由于汽车应用环境严格，12V电池系统的最高电压可能高达60V或更高。顾及通信协议定义的条件，如EMC及系统ESD要求，业界成功地开发出了针对60/80V电压及数安培电流的汽车BCD工艺。此外，汽车类BCD工艺，如安森美半导体的I2T-I3T-I4T技术，经过了优化及特征化，用于高达200℃的高SOA及接近0ppm的质量等级。

低成本（电源）封装的开发也在降低智能型功率SoC的成本方面充当重要作用。

图3显示的智能型功率SoC能驱动汽车前照灯分布式控制系统中的电动机。外围接线包括电源（Vs）、地（GND）、输入信号（LIN）以及足以驱动步进电动机的3条线路。可以使用区域互连网络（LIN）通信来设置驱动器及输出诊断条件。它保护自身免受源自电源、通信线路、其他功率启动器（Power Actuator）的噪声影响。单颗芯片实现了完整的ECU功能。

智能型功率SoC优化案例

LED作为“环保型技术”，特别适合于智能型功率SoC，因为60V电压及数安培电流是BCD工艺的“最佳搭配点”。

智能型功率SoC LED照明系统有两项优势：其一，一次性可编程序（OTP）内存使LED串中的LED数量可以调节；其二，可以由脉波宽度调节（PWM）驱动参数来实现亮度自由变化。

可以驱动两路独立LED串。电源、控制逻辑及ROM均内嵌。在封装生产时在线进行调节，从而适配所需参数。参数设定屏幕如图4所示。在此屏幕上，OTP调整参数将在封装线优化，故能容受LED参数差异，并帮助降低系统总成本。

结语

市场上存在廉价的功率封装，适合驱动器的LIN这样的简单通信协议也已具备。将这些技术与BCD工艺特别是上文介绍的专门针对汽车应用的BCD工艺结合在一起，将广泛应用于汽车系统。智能型功率SoC能够将目标应用置于单个组件，优化诸如传感器、无刷电动机及LED照明这样的完整系统。

汽车中使用的200多个传感器、电动机及LED可以用极少系列的智能型功率SoC来控制，大幅降低汽车制造总成本。这就会形成“硬件标准化”，类似于汽车开放式系统架构及日本汽车软件平台及架构推广的“软件标准化”。BCD工艺持续演进，支持更高集成密度、更低系统成本及更高坚固性，满足未来汽车SoC要求。某些业界领先公司率先推出的智能型功率SoC将成为事实标准。成本大幅降低的关键在于此类SoC大范围推广，进而成为业界范围的标准。