用集成方式解决混合信号半导体的挑战

由于汽车与工业应用中的电子器件显著增多，因此在持续快速增长的中国电子工业中，汽车与工业市场仍然扮演着重要角色。
值得注意的是，在电子设计方面，汽车与工业领域之间的共同要求越来越多。例如，由于传感器数量越来越多，现在这两个领域的许多应用都依赖于复杂的信息处理，同时，精确电机控制或者对继电器等机电执行元件的需求也已非常普遍。网络也是一个正在大幅度增长的领域。现在，汽车和工业设计中都采用CAN和LIN等车内网络(IVN)标准，以将传感器、执行器和处理器与相关控制和管理功能连接起来。
最后，汽车和工业应用还都需要在各种恶劣、苛刻的环境中提供长期可靠的运行。这种环境条件包括温度、震动、电噪，许多情况下还需要在高压下运行。
　　
混合信号半导体
面对必须在短周期、紧张预算控制内实现新设计，以及在越来越小的空间内使用最少数量组件的压力，设计人员正在寻找各种途径，从传统分立元件设计转到集成度更高的半导体器件。这使得对片内系统ASIC和ASSP器件的需求不断增长，这些器件利用混合信号半导体技术将模拟和数字功能集成在了同一芯片上。
真正的混合信号工艺需要把电压较高、噪声敏感度较高的电路与电压较低但会产生噪声的数字电路隔离开，这可通过使用深槽隔离技术实现。在该技术中，一系列隔离槽深埋在芯片衬底内，从而有效地形成能够很好控制噪声和电源参数的片内“保护区(pockets)”。传统混合信号技术可以实现放大器、ADC、滤波器等控制与信号处理功能与微控制器、存储器、定时器、逻辑控制等数字功能的结合。但是为满足新兴汽车与工业设计的需求，混合信号处理的能力必须远远超过这些。现在混合信号半导体厂商面临着诸多挑战，他们必须把传统混合信号设计的相关功能与保证高压高温运行的各种技术结合起来，提供高水平的抗电磁干扰和瞬态电压能力，提供满足相关行业机构质量与安全要求的产品，还要以最低成本满足上述需求，并把握进入市场的最佳时机。
而且，如果是要满足当今汽车与工业工程师的需求，传统混合信号器件的基本功能也必须在嵌入式智能化、存储器、公用网络控制器及接口可用性、直接执行器输出等领域大幅扩展。
　　
高压Smart Power
对用于汽车和工业领域的许多混合信号器件而言，高压性能是一个关键要求，无论是电机控制、继电器驱动还是仅仅需要耐受瞬态高压的能力。幸运的是，现在有很多高压混合信号半导体加工工艺能够满足这一要求。
以AMI半导体公司的I3T80 Smart Power加工工艺为例，基于0.35mm CMOS的I3T80工艺可以在80V的条件下运行，使系统设计人员能够使用高集成度数字电路、高压电路以及高精度模拟模块的芯片，减少组件数量、节约空间并降低成本。
这种高压工艺可使门电路密度高达15000/mm2，并包括高性能纵向浮动nDMOS晶体管在内的一整套高压DMOS和双极器件。另外，这种工艺还采用NPN和PNP双极器件、高压浮动二极管和多种无源器件，并为希望使用AMIS工艺设计，需要PLL、USB接口、总线协议控制器、用于网络连接的控制器、嵌入式微处理器等选件的设计人员提供IP功能块。
AMIS Smart Power采用金属-金属电容器和良好匹配的高阻抗电阻。静电放电(ESD)是产品开发的一个重要方面，4.5kV HBM(人体模型)和750V CDM(设备充电模型)的额定值可以满足最为苛刻的要求。
　　
处理器和存储器
混合信号电路的一个发展趋势是增加某种类型的中央处理电路，使AMIS I3T80加工工艺适用于ARM7TDMI、R8051、6502内核等选件。而且，由于片内处理的需要，还出现了对片内数据与程序存储的要求。一般使用数据锁存器、寄存器、RAM等易失性存储结构，但需要持续供电来保留数据。然而，较新的混合信号设计采用包括OTP或EEPROM等在内的非易失性存储器(NVM)选件来进行工厂编程，最近又采用闪存选件。例如，AMIS公司为其I3T80 Smart Power高压混合信号系统工艺技术开发出嵌入式高注入MOS(HiMOS)闪存。成熟的I3T80混合信号技术与强大的新型NVM结合，将使设计人员能够为最恶劣的汽车与工业工作环境创建经济型智能传感器接口、智能执行器以及其它高级单芯片器件。
HiMOS闪存能够在-40℃~125℃温度范围内运行。它使设计人员能够嵌入双排存储器，其中一排是高达64kB的代码存储，另一排是高达512字节的虚拟EEPROM数据存储。由于AMIS HiMOS闪存是仅使用I3T80基本工艺掩模组上的三个额外掩模层实现的，因此这种基于闪存的智能化Smart Power芯片为分立元器件以及其他SoC替代方案提供了一种非常经济的选择。
HiMOS闪存最多可提供100个代码存储擦除周期和最少10000个数据存储擦除周期。它能够保存数据15年，完全满足汽车电子组件AEC-Q100临界应力测试的要求。
　　
网络和通信能力
构建网络需要物理层(PHY)实现，并且要求特别注意抗电磁干扰性、总线短路保护、网络通信阻断预防等问题。设计人员经常需要自己考虑提供这些特点，但最新的混合信号半导体技术提供了一种替代方法。
在这方面特别令人感兴趣的是LIN、I2C、SPI和CAN网络标准，目前，后者已成为汽车和工业设计中非常普遍采用的标准，是伺服器、传感器、控制器以及车内网络、机械控制和自动化所用的各种其他设备主机的互联基础。因此，混合信号半导体厂家必须以现货ASSP或IP块的形式提供CAN和LIN功能，以整合到ASIC中。
　　
解决EMC问题
随着汽车和工业电子器件的增多，电磁兼容性(EMC)问题也越来越成为工程师所面临的设计挑战。其中三个主要问题是： 如何最大程度地降低电磁敏感度(EMS)，从而保护电子器件不受其他电子系统引起的有害电磁发射(EME)的影响;如何保护电子器件不受恶劣环境的影响，包括供电系统瞬变或开关灯和电机等大负载或电感负载产生的干扰等;如何最大程度地降低可能影响其他电子电路的电磁辐射。
而且，随着系统电压增高、数字电子器件增多、以及更多高频电子器件带来的频率上升，这些问题越来越突出。此外，现在许多电子模块都会连接线性度低、偏移较大的低功率的廉价传感器。这种传感器信号幅度较小，电磁干扰的影响对它们的运行可能是灾难性的。
这里应该注意的关键一点是，辐射和敏感度不是集成电路的主要问题。相反，引发关键问题的是PCB和线束上的有效天线所产生的传导发射和敏感度。
在其自有的混合信号半导体加工基础上开发片内系统器件的过程中，AMIS通过各种途径协助工程师确保他们的最终设计符合EMC要求。例如，对于DSP切换、时钟驱动器以及其他高频电流产生的EME，应尽可能使用低功耗电路。这可能包括使用降低或自适应电源电压，或使用某种架构将时钟信号在频域内扩展。还可通过减少同一时钟周期内开关元件的数量来降低EME。另外，通过对时钟和驱动器信号实施斜率控制来放缓开关速度，提供较软的开关特性，也有助于降低EME。外部和芯片布局也应予以仔细研究。例如，使用双绞线的差分输出信号产生的EME更少，对EME也更不敏感。确保VDD和VSS彼此靠近和使用高效电源去耦也是降低EME的简单方法。
整流／抽送、寄生器件、电流与功率消耗是三种对高EMS最严重的干扰效应。高频电磁功率被集成电路部分地吸收，这样可能造成各种干扰。其中包括向高阻抗节点输出高频电压，以及向低阻抗节点输出高频电流。PCB设计随应用不同而变化，而产品与PCB设计间又存在微妙的关联，因此，系统和集成电路工程师必须密切合作，以最大程度降低其影响，这一点至关重要。
　　
混合信号ASIC和ASSP
AMI半导体公司已利用上述技术和方法为ASIC和ASSP器件的开发创造了基础，满足工业与汽车应用中的集成、功能、性能、电压、温度及环境要求。
传感器接口ASIC
在当今系统越来越高复杂度的驱使下，更多智能化功能被集成到传感器元件上。现在，如上所述这些工艺设计上的进步已经达到可以实现这种集成水平的程度。传感器接口ASIC解决方案可以把一个普通传感器转变为智能传感器。重点必须放在传感器元件(也包括温度探测、霍尔效应探测、校准和诊断等智能传感器接口)信号的调整、转换与处理的最佳方法上。
智能传感器接口的典型应用如图1所示。模拟信号调整部分(显示为绿色)是主传感器接口,就是在这里接收、滤波和放大传感器输入。传感器输出信号幅度通常很低，因此，必须小心保持其信噪比。传感器的输出范围(电压或电流)决定准确解析传感器信息所需的输入信号调整。在整个信道中保持传感器信号的完整性至关重要。
图1中所示的处理器和存储器对于即插即用功能也非常重要。在传统系统中，每个传感器的增益、偏移量、滞后量及其它参数各不相同，都必须在系统其它部分得以补偿。智能传感器节点保存传感器的物理属性，并在处理器本地补偿非理想性能。这样，更换传感器时即无需重新校准。

图1 智能传感器接口的典型应用


欠压检测功能用于在电源中断时向处理器报警。这样，处理器就有足够时间把重要数据保存到闪存或EEPROM中。另外还有一个能为数字部分(显示为黄色)生成3.3V电流的开关式电源模块。除了电容、电感等储能元件外，大多数电源元件都能够整合到集成电路中。
数字模块提供用于处理信号和控制必要输出接口(显示为棕色)的数据处理。数字模块可以根据特定传感器要求定制。数字模块从ADC中获取数据。
智能传感器节点可以被配置为仅在达到温度条件时发送一条信息，而不是发送连续的温度读数流。这样就只有需要的信息才被发送到网络上。这样做的好处是，大幅减小了支持各节点所需的带宽，从而使一个网络上能够容纳更多节点。
输出模块可由许多功能构成，但通常需要为执行器、显示器或串行接口装配一个驱动器。该模块还可包含多种串行接口中的一种，如CAN、LIN、I2C、HART或SPI。传感器电子器件与主处理器之间必须存在串行通信接口，以作为更高层系统的组成部分。
混合信号电机控制
从简单的X-Y机台到复杂机器人，从汽车大灯到开窗装置，高效运动控制是许多汽车和工业应用的关键方面。
多年来，为此类功能设计驱动和控制电子器件的方法基本保持不变。硬件架构一般包括一个标准的微控制器或DSP、提供解码器输入和电机输出的定制逻辑电路、一组ADC和DAC、以及用于驱动转子和定子电流的模拟电路(对于步进电机，一般是一个H桥FET布局)。此类系统经常需要一个网络接口(如RS-485或CAN)使运动与其他系统活动相协调。并且，这种系统还需要外部存储器来设置和存储各种参数。它还带来沉重的软件开销：包括从生成所需驱动波形的低层代码到故障诊断等较高层控制与监视功能的各种开销。
因此，半导体供应商已将目光转向开发单芯片解决方案，以期取代大部分(有些情况下是全部)电机驱动电路。
作为最新技术的一个范例，图2提供了AMIS-30623的电路框图。该芯片的核心是一个数字运动控制器和一个H桥结构的50mA~800mA双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进操作，因此不再需要在速度、噪声和共振导致的失步之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流，采用20kHz PWM电流控制方案。它还集成了系统接口，提供LIN或I2C通讯接口供选择。

图2 AMIS-30623电路框图


这些设备的一个主要优点就是，所有针对应用的运动控制功能都是在出厂时进行预编程的，从而显著减少了工程师的编码工作。AMIS EVK-3062x等评估工具包内包含了通过USB、LIN或I2C将控制器连接到PC所需的全部工具。该工具包能够实现对四个为一组器件当中的任何一个基于GUI或脚本的控制。
开发阶段的灵活性是缩短开发时间的关键。出于同一原因，设计人员在选择运动控制器时非常重视存储器选件。特别是设备的闪存版本，它允许在开发应用及之后测试和调试软件时进行再编程。这显著加快了设计更新速度。
从系统设计角度来说，通信接口的选择也很关键，常见的两种是LIN和I2C。LIN特别适于实现总线型架构。在包括汽车工业在内的远程或分布式应用中，这种架构可以减少布线和改善EMC性能。配有I2C的器件更适合在独立PCB上与本地微处理器一起用作外围设备。
许多基于步进电机的位置控制器不需要转子测量位置的连续反馈。这种开路运行依赖正确的设计，只要求检测运转结束位置和阻止转子运动的事件。一般而言，正常运行可通过统计方法得到验证，方法是在转子处于给定位置时闭合／打开一个简易开关。AMIS-3062x系列产品提供与嵌入位置控制器同步的开关输入，因此也适用于这种方法。另外，该系列产品还能够实现完全无传感器的运动控制。集成式无传感器停转检测功能可以防止失步，还能够在电机出现机械障碍时停止电机。它的使用非常简单，只需预编程参数即可实现。它还允许在接近系统机械终点止动位时执行半闭路运行。由于AMIS-3062x系列产品无传感器停转检测、不需要额外编程，所以能保证快速、经济而且可靠的功能实现。
尺寸和功率
找到具备所需性能的器件后，设计人员还必须记住许多应用都必须考虑的两个因素：尺寸和功耗。汽车与工业设备等应用经常需要将运动控制器直接安装在电机上，要求使用有可靠封装的小型组件。采用Micro Leadframe (MLF)封装的器件现已上市，它们是此类应用的理想之选。这种接近芯片尺寸NQFP封装的横截面不足1mm，占用面积仅为7mm x 7mm。这种新器件的另一个优点是，通过采用裸焊盘设计，热阻得到显著改善，这有助于更有效地从集成电路向安装基体散热。同样重要的是器件的集成度。大多数控制器芯片都将至少包含功率应用中通常所需的一些保护功能。这些功能包括过电流、欠压与过压、高温与低温警告和管理。
对于功耗问题，主要用于H桥FET内的主动散热不仅浪费能源，而且还会导致工作温度升高；而这反过来又会导致需要使用额外冷却组件，并且还会影响长期可靠性。另一方面，在汽车等应用中，睡眠模式功耗是一个比较特殊的问题，因为器件大量时间处在关机模式，等待中断或按键。AMIS-3026x关机供电电流一般为50mA的器件，特别适合此类应用。
　　
结语
满足新兴汽车与工业应用需求的关键之一，是将以不同电压运行的混合信号电路与针对应用的软件和易用开发工具一起集成到单一设备中的能力。随着像AMIS这样的公司不断扩大这些技术的应用范围，模拟世界和数字世界越来越接近，这将为设计人员解决现实世界中的问题带来切实的好处。 ■