全球新一轮科技和产业革命正悄悄来临,电动化、网联化、智能化、共享化成为汽车产业的发展潮流和趋势。在汽车新四化的推动之下,汽车电子电气架构从原来的分布式逐渐向跨域集中式和车辆集中式不断演进,汽车电子软件架构不断升级,软件与硬件分层解耦,软件定义汽车的时代即将到来。汽车智能化跑出加速度,中国的新能源车市场向好,ADAS功能搭载率不断攀升,L2正在成为标配,L3开始量产上车。

 

汽车智能化趋势下,功能安全成为行业关注焦点

随着汽车智能化的推进以及自动驾驶技术创新的日新月异,安全成为行业不约而同的关注焦点。安全分为两种,一种是本质安全,另一种是功能安全。本质安全是通过消除危险原因来确保安全的方法;而功能安全是通过功能方面的努力将风险降低到可接受水平来确保安全的方法。本质安全可以确保绝对的安全性,但是成本往往很高;相比之下,功能安全的成本较低,但在设计时必须考虑到当附加的功能发生故障时应如何确保安全。

 

图 | 本质安全与功能安全的思路

 

举个例子,在铁路和道路交叉口,如果采用建立交桥的方法将铁路和道路分开,从物理上避免火车和汽车碰撞的方法,这是一种本质安全的思路。而如果通过在道路与铁路的交叉处设置警报器和栏杆,在铁路上安装传感器,当传感器检测到火车接近时,警报器响起,并降下栏杆,当另外的传感器检测到火车已经通过时,警报器停止,并升起栏杆,虽然道路与铁路在物理上仍然交叉,但可通过设置铁路道口的方法将汽车和火车相撞的风险降低到可接受的水平,这就是功能安全的思路。当然,在这个案例中,如果传感器损坏,那么在火车接近时,警报器和栏杆就不会工作,这是一种“危险”状态,因此就需要加入传感器的自我诊断或者双传感器的冗余设计,来确保即使传感器损坏也不会引发危险状态的设计,这就是故障安全(Fail Safe)的思路。

 

由此可知,功能安全其实就是基于“人会犯错”、“东西会损坏”思路之下的一种设计,而功能安全通常要同时考虑到“系统性故障”和“随机性故障”这两方面,来确保没有系统性的Bug,以及当随机性故障发生时不会对人造成伤害。在中国,ISO 26262(功能安全)已纳入推荐性国家标准,ISO 26262的第一版中文译本GB/T 34590已于2018年5月起开始施行。        当然,不止汽车领域有这个要求,很多工业场景同样对安全性要求非常高。为了构建更安全的系统,必须在设备开发过程中就要考虑到在发生问题时如何确保安全,这意味着故障安全和功能安全是贯穿设备开发全流程的。

 

复位IC为汽车和工业用设备安全保驾护航

讲到汽车和工业应用场景对设备安全性的需求,就不得不提到对系统电源电压进行监控的重要性,而复位IC是电压监控电路中不可或缺的产品之一,目前已经广泛应用于EV/HEV逆变器、引擎控制单元、ADAS、汽车导航系统、汽车空调、FA设备、计量仪器、伺服系统、各种传感器系统等需要对电子电路进行电压监控的各种车载和工业设备应用中。

 

面向该市场需求,罗姆推出了1000多种复位IC,2021年度,在低电压范围的广泛应用领域,创造了2.5亿枚的年出货量记录。就在近期,罗姆还开发出了一款高精度、超低功耗且支持40V电压的窗口型复位IC “BD48HW0G-C”。

 

图 | 复位IC工作示例

 

那么,什么是复位IC呢?复位IC是一种开关IC,可用于电子电路的电压监控,当检测到被监控的电压超过阈值时就会通过改变输出而达到复位操作的效果,因此具有通过与微控制器合作来确保系统安全的作用。就好比河里的水位报警器,当河水漫过最高警戒线或低于最低警戒线时都要拉响警报,并触发放水或蓄水动作,而这里的水位传感器就好比电路中的复位IC,起到的效果是一样的。

 

罗姆新推的复位IC “BD48HW0G-C”有何特别之处?

同样是复位IC,为什么要有这么多类型?罗姆最新推出的复位IC “BD48HW0G-C”又有什么特色或优势呢?由于应用场景的不同,系统电路对复位IC精度、功耗、工作电压、功能安全、监控电压范围、欠压/过压检测等需求都不一样,因此需要开发出不同的复位IC来匹配相应的市场需求。

 

图 | 罗姆窗口型复位IC产品阵容

 

罗姆最新推出的复位IC “BD48HW0G-C”是一款支持40V电压的窗口型复位IC,由于采用了高耐压的BiCDMOS工艺,并融合了罗姆所擅长的模拟设计技术,BD48HW0G-C工作电压范围宽至1.8V~40V可调。关于窗口型的设计,由于BD48HW0G-C配有2个独立的基准电压电路,因此可以灵活地设置High侧和Low侧的检测电压,并独立复位检测输出。在检测精度方面,BD48HW0G-C在-40℃-+125℃温度范围内可实现业界先进的±0.75%电压检测精度,高于业界标准产品的精度±2.2%。在功耗方面,BD48HW0G-C的静态电流只有500nA,仅为普通的工作电压24V以上的窗口型复位IC的1/16,这使得工程师在设计电路时无需担心因复位电路而产生的功耗增加。

 

图 | 在全动作温度范围内的高精度复位IC更易于系统设计

 

为何在车载和工业领域需要强调在全动作温度范围内的、稳定的高精度特性呢?我们知道,如果只是在25℃下有值偏离的问题,那么可以通过固定补偿进行调整,比较容易实现。但是在汽车和工业应用中,环境温度以及机身自身发热和散热的情况差别较大,电源电压和复位检出电压受温度的影响会产生波动,这种受温度影响下的偏离是非常难修正的,因此对于车载和工业环境,选择全动作温度范围内的、稳定的高精度复位IC更易于系统设计,从而减轻客户的设计负担。此外,在车载和工业环境下,通常环境噪声较大,当外部噪声侵入时,如果检测出电压的精度差,那么容易发生误动作,因此为了避免或减少外部噪声的影响,提高系统运行的可靠性,高精度复位IC是更好的选择。

 

值得一提的是,罗姆从2015年就已经开始构建ISO 26262的流程,并在约2年半后的2018年3月,通过德国第三方认证机构TÜV Rheinland获得了ISO 26262的流程认证。正因为对ISO 26262规格以及应用电路有着高度理解,罗姆针对需要功能性安全的车载和工控电源,开发了支持从低到高的广泛电压范围的、高精度地检测电压异常的复位IC。

 

实现模拟电源器件超低功耗的秘密:Nano Energy™

前面提到,BD48HW0G-C的静态电流只有500nA,仅为普通的工作电压24V以上的窗口型复位IC的1/16,如此超低功耗是如何实现的呢?

 

事实上,罗姆采用的是IDM的模式,在这种垂直统合型生产体制下,罗姆在“电路设计”、“布局”和“工艺”这三方面都具有更深的经验累积和更强的模拟技术优势。基于此,罗姆研发出了超轻负载状态下彻底削减消耗电流的划时代技术“Nano Energy™”。 使用该技术,无负载时的静态电流可低至纳安(nA)量级,不仅可以延长电池供电的物联网设备和移动设备的驱动时间,还有助于不希望增加功耗的车载和工业设备的高效率工作。

 

举个例子,我们知道,新能源汽车是实现全球“双碳计划”的重要组成部分,对于EV/HEV来讲,提高燃油经济性,增加行驶里程势在必行,于是低功耗化就会变得尤为重要。其次,当汽车怠速熄火时,发动机会停止运转,电池将提供功能所需的电力。再者,当在停车时,时钟在后台运转、报警系统开启、无钥匙系统开启等都将直接由电池供电,存在电池耗尽的风险。因此,进一步降低电源IC的电流消耗是刚需,而通过搭载Nano Energy™技术,可以为整个汽车系统的低功耗做贡献。此外,低静态电流带来的不只有延长电池供电设备寿命一个好处,同时对于汽车和工业应用来说,还能减少电路中的暗电流,有助于EMC的改善。