高边驱动芯片需求升温，国产模拟芯片厂突围

过去几年，新能源汽车大潮正在席卷全球，这给汽车半导体产业带来了新一轮的革命。德勤在一份报告中也直接指出，随着汽车电动化和自动驾驶技术的进一步发展，汽车半导体变得越来越重要。而且，与过去相比，本轮的汽车半导体需求具备多方面的不同特征：
 
首先，与传统内燃机汽车相比，新能源汽车使用的芯片越来越多。数据显示，到2022年，新能源汽车的平均芯片数量将达到1459颗左右，进一步超过传统内燃机汽车上安装的芯片数量。


 
其次，在电池管理系统和电动动力总成中使用的电子元件（例如逆变器、动力总成域控制器DCU、各种传感器等）的推动下，到2025年，汽车电子元件BOM（物料清单）价值将大幅增长；
 

• 由于车辆中ECU和传感器的数量增加，车辆线束的成本和布线难度急剧增加。有必要重塑汽车电子电气硬件架构，从传统的分布式模式转向更加“集中、轻量化、精简、可扩展”的模式。

 
在这些变革背后，有一颗模拟芯片正在受到广泛的关注，那就是高边驱动芯片。
 
高边驱动芯片，需求大增
 
过去几年的芯片产业正在经历一个过山车周期——从疫情开始的冰冻，到中期的急速上涨，再到近一年来的断崖式下滑。这种大起大落除了给消费电子供应商带来了灾难式的周期，就连一直被看作能够穿越周期的工业和汽车也都开始受到了影响。不过，这在高边驱动芯片方面的影响似乎没那么大。有从业者告诉笔者，欧美厂商的高边驱动芯片依然火热。
 
相关统计显示，当前平均一辆车上高边驱动产品的通道数大概在80~120个通道，那就意味着一辆车里的高边驱动产品，大概占整个汽车芯片数量份额的15%左右。那么这究竟是怎样的一个产品？那就得先从高边驱动说起。
 
众所周知，在传统的汽车上有很多灯/边/阀/泵/电扇/各种风机。有需要的时候，你需要打开相应的开关。在不用的时候则需要把它关掉，达到节省能耗的作用。然而，在开关的时候，你还需要考虑到后面负载的情况，因为它的过流、过压都需要进行监控和保护。在过去，大家都是使用传统方式来执行此类功能，最常见的做法是使用继电器进行开关，然后搭配Fuse进行保护。这是在过去汽车的配电系统或在负载的电源开关里常见的组合。
 

 
不过，正如上海类比半导体技术有限公司市场总监范天伟先生所说，这样的设计会带来很多问题。例如只能做简单的保护、可靠性不足、不够灵活、功耗较高、重量较重以及产生大量的EMC。
 
“高边开关能完美解决这些问题。”范天伟说。
 
据介绍，如下图所示，汽车中能用到高边开关的主要场景涵盖了灯、阀、加热器、配电和锁扣等应用。随着汽车从传统汽车往新能源汽车演变，应用到汽车的高边驱动通道也从35提高到75，增加幅度超过100%。范天伟预估，如果按照单颗单边开关售价1.2元算，高边开关国内去年市场潜在体量在14~15亿元, 可触达的市场为6.5亿元。。他同时指出，当前的高边开关渗透率只有46%。而且，随着新能源汽车的发展，通道数量还在增加，可以预见的是，高边开关市场容量未来会进一步扩大。
 

 
 
但是，和大多数汽车芯片一样，这是一个由英飞凌、ST、TI和罗姆等厂商把持的市场。他们也正在依赖于其IDM和工艺优势，打造覆盖广泛、且竞争力极大的高边驱动产品。如ST和英飞凌就使用的是BCD的VDMOS工艺，打造出功率密度最高的产品。他们所推出的2通道20毫欧、2通道30毫欧，甚至是单通道2毫欧、单通道1.2毫欧产品，在国内也几乎找不到竞争对手。
 
但是，这些国产厂商并没有因为对手过于强大而止步不前。
 
国产厂商迎难而上，伺机弯道超车
 
从范天伟的介绍我们得知，现在国内厂商都已经看到了高边市场，并已经投身其中，当中有几家甚至都已经开始推出他们相应的高边产品了。不过，他们大部分推出的都是高Rdson的小电流产品，围绕着80毫欧以上的范围，推出4通道、2通道甚至是1通道的产品。这些开关通常会用在一些小灯的开关、小电源的配电里。
 
“他们的产品相对还比较零散，是一个产品、一个产品的，没有形成一个面。”范天伟接着说。“类比半导体推出了覆盖大电流、小电流和多种通道的高边开关产品，是国内迄今为止高边驱动产品覆盖率比较高的公司。”范天伟强调。据他所说，虽然类比半导体目前的产品没有ST和英飞凌多，但基本可以覆盖他们60%~70%的产品。
 
范天伟表示，高边开关其实并不是非常新的产品，因为英飞凌早在十年前就涉足了相关领域。因此，对于国产厂商而言，如果想要在这个市场突围，就首先必须要了解到这个产品未来的发展方向，才有希望实现弯道超车。他总结说，当前的高边开关拥有了以下几点趋势：
 
首先，高边驱动产品会往更低的Rdson和更大的驱动电流走；因为那个领域目前还是相对比较便宜的继电器把持，因为现在的大电流高边产品都比较贵，价格一般都是前者的2倍。所以高边一定要往更大的电流、更小的Rdson去走，逐渐替代继电器那部分的市场应用。
 
其次，更多通道数的集成；
 
现在，汽车正在从过往的分布式系统走向功能域甚至中央集成域。这些域会把更多的负载点集中在一个驱动板上进行控制。“理论上来说，一个板上需要的芯片数量需要越来越少，这样一个板上才能放得下。对高边驱动产品来说，更需要把这些通道数集成在一颗芯片里，起到减少PCB size的作用。”范天伟接着说。
 

• 通讯方式的改变；

 
一辆车上现在有很多的高边驱动，这些东西都要实时跟MCU进行通讯。但现在很多高边驱动，走的都是I/O的方式，通过里面的CS Pin脚，把里面的信号通过这个Pin脚送给MCU，这在当前是没有问题的。但是随着数量的增加，就要求MCU设计更多的I/O口做信号回读，这对MCU的资源很浪费。“所以后面的高边基本都会往I2C或SPI这种串行通讯方式转变，届时很多的高边只要统一挂在一个总线上，就可以实时进行设置和诊断功能，通讯方式也会在高边进行慢慢地改变。”范天伟告诉半导体行业观察。
 

• 更低的静态功耗；新能源车对本身功耗的要求越来越高。而为了防止亏电，所以未来的高边驱动电池一定要有越来越高的待机功耗。同时，在工作的时候你还要把静态功耗降低，保证整个车驾驶里程的延长。

 
最后，高边驱动的智能化、可编程化；
 
现在汽车里的负载越来越复杂，不再是传统说的那些纯阻性、纯容性、纯感性的器件。因此为了高边开关符合不同负载的开关，以及正常工作情况下不同负载的属性变化，要进行不同的配置和融合。
 
范天伟指出，客户在评估一个高边开关时，不但需要考虑带载能力（容性、阻性和感性），还需要防止电源反接、提供静态电流、关注开关特性、防止电源和地线的丢失以及对过温、过压、欠流和过流的保护。
 
这些分享也将给相关厂商带来了新的思考。作为一家拥有丰富经验的厂商，类比半导体正在给高边开关做了新的发布。
 
五年深耕模拟赛道，三类多款高边芯片
 
资料显示，上海类比半导体由一批来自于国际顶尖半导体公司的本土工程师于2018年创建，是一家模拟及数模组合芯片和解决方案供应商。公司专注于信号链、电源管理、MCU/DSP等领域的芯片设计，产品主要面向工业、通讯、医疗、汽车等市场。类比的核心使命是为客户提供高品质芯片，为世界科技化和智能化提供最底层的芯片支持。
 
从产品种类上看，类比半导体提供了AFE模拟前端、ADC和智能驱动产品线。车规级智能高边驱动HD7xxxQ系列则是他们最近推出的最新系列高端车规级芯片。据范天伟介绍，类比把高边开关分成了三类，分别是1通道、2通道、4通道这三类产品。在每个通道中，类比半导体基本都做了不同的Rdson，包括8毫欧、20毫欧、40毫欧和80毫欧这四档，这就让公司在这个矩阵中能提供八款芯片。
 
 
类比半导体表示，公司新推出了车规级单通道高边驱动芯片HD70xxQ和车规级双通道智能高边驱动HD70xx2Q提供了不同通道数和多档导通内阻，产品均具备全方位的保护和诊断功能，包括可配置闭锁功能的过热关断保护、动态过温保护、负载过流保护、高精度比例负载电流检测、输出过载和对地短路警报以及对Vcc短路诊断和OFF状态开路诊断等。
 

 
从参数上看，HD70xxQ车规级单通道智能高边驱动主要应用于汽车12V接地负载应用中，例如座椅加热，并可以提供进一步的智能保护功能，包括负载过流限制保护、动态过温保护以及过热关断保护等。同时，HD70xxQ的输入控制引脚兼容3V和5V CMOS接口，支持单通道输出。
 
此外，HD70xxQ内部集成专用多功能多路复用模拟输出引脚CS，可以提供复杂的诊断功能，包括高精度比例负载电流检测、输出过载和对地短路警报以及对VCC短路诊断和OFF状态开路诊断。其输入SEn引脚为HD70xxQ的检测使能引脚，可以进一步禁用OFF状态下的诊断功能，获得更低的功耗。HD70xxQ 单通道系列产品包含HD7008Q、HD7040Q、HD7080Q三个型号，分别对应6.5、40和80mΩ三档内阻，均提供SSOP14和SSOP16两种封装类型以实现PIN脚兼容。
 

 
HD70xx2Q则具有车规级双通道智能高边驱动的输入控制引脚兼容3V和5V CMOS接口，配有两路独立输出通道。其中，HD70xx2Q的¯("FaultRST" )引脚在出现故障时可以控制输出自动恢复或者输出闭锁。HD70xx2Q同样集成了先进的保护功能和诊断功能。
 
此外，其输入SEn引脚为HD70xx2Q的检测使能引脚，可以进一步禁用OFF状态下的诊断功能并获得更低的功耗。在同一系统使用多个HD70xx2Q的场景中，除了节省功耗外，SEn还可以实现多片HD70152Q仅需一个ADC采样通道和一个CS对地电阻，极大地优化系统实现成本。
 
类比半导体表示，HD70xx2Q 双通道系列产品包含了HD70152Q、HD70202Q、HD70402Q 和HD70802Q 四个型号分别对应15、20、40和80mΩ四档内阻，提供SSOP14和SSOP16两种封装。
 
得益于这些创新的设计，类比半导体的高边驱动产品可用于驱动车身控制域中的各种阻性、感性及容性负载的驱动，其在车内外的应用非常广泛，包括车内饰灯、头尾灯、座椅和方向盘及后视镜加热、电磁阀、门锁、电机等场景。
 
写在最后
 
在与半导体行业观察等交流的时候，范天伟首先指出，数模混合产品在当今应用的过程中主要是信号类产品和AFE产品，这些产品在国内做的人非常少，因为数模混合产品比传统的纯数字和纯模拟的要求更高，所以类比最早做AFE，就是想先踩准一个行业，在这个行业做头部产品，再向下游降维打击。这正是类比半导体叫板领先厂商的主要策略。
 
不过他也承认，类比半导体的对手非常强大，而且他们有更长时间的工艺积累，包括产品的积累，这也让其又有更低的工艺成本。但是，类比希望通过高举高打的布局快速推出产品，加紧备货和优化产品和工艺等方式，让公司走得更远。
 
当然，如前文所说，这不仅仅局限于高边开关。