助力中国新能源汽车类比半导体携高边开关亮相慕尼黑华南电子展

  近年来，汽车行业迅速迈入电动化、智能化、网联化、轻量化新纪元，分析机构预测，2023年全球新能源汽车的销量将达到1410万辆，其中中国市场将占据约60%份额。中汽协数据证实了这一点，该机构预计2023年国内新能源汽车销量有望达到900万辆，较2022年增长约31%。随着新能源汽车渗透率不断的提高，“新四化”驱动汽车半导体需求持续扩大，Yole指出2022年每辆汽车的半导体芯片价值约为540美元，到2028年将增长到约912美元，芯片数量从850个增加到1080个；整体汽车半导体市场规模从2022年的430亿美元增至2028年的843亿美元，复合年均增长率将达到惊人的11.9%。

  在此趋势下，中国新能源汽车产业的强势崛起，对汽车半导体的国产化需求日益紧迫。一方面新能源汽车是国产半导体突围、升级的关键赛道之一，对解决我国半导体行业低端内卷、高端卡脖子的困境有很大助益；另一方面，国产汽车半导体的成长壮大，也有助于帮助国内新能源汽车摆脱供应链限制，保证供应安全，提升核心竞争力。可以说新能源汽车制造与国产汽车半导体产业升级相辅相成。

  秉持着“为客户提供高品质芯片”的核心使命，模拟及数模混合芯片和解决方案供应商类比半导体，自2021年起开始积极布局汽车电子芯片，目前已量产车规级离手检测AFE芯片、车规级直流有刷电机驱动器、车规级模数转换器等产品，产品已向众多主机厂商和Tier1客户批量供货。在最近举行的慕尼黑华南电子展（electronica South China）上，类比半导体展示了全新的车规级高边开关系列新产品，打破了国际企业在这一领域的垄断，强势助力中国新能源汽车领跑全球市场。

  随着整车智能化程度的不断的提高，机械控制电子化的程度不断的提高。同时，随只能驾驶等级的提升，慢慢的变多的智能开关类芯片大量应用于智能汽车。以特斯拉Model3为例，仅前车身域控制器就配置了21颗高边驱动芯片，整车用量超过35颗。

  类比半导体市场总监范天伟在接受集微网采访时指出，在传统车身控制中所使用的继电器方案，正随着汽车线控化、电子化迅速转向集成电路式高边开关，它是位于电源和负载之间的开关，可用于车身控制域中的各种阻性、感性及容性负载的驱动，在车内外的应用十分普遍，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。

  首先是汽车中各类自动化功能迅速增加，负载点的增加推动了对高边开关的需求量开始上涨。比如汽车线控化，汽车天窗、尾门、座椅、前后大灯等都可以用线控控制，自动化程度提升使得电控执行单元增加，推动了对高边开关的需求；汽车照明场景增加，除了传统的前后尾灯外，汽车照明数量慢慢的变多，包括车内各种指示灯、氛围灯、内饰灯、仪表盘背光灯等等，通道数量增加使得高边开关需求同步增加；司乘人员对驾乘舒适度的需求，导致加热座椅、加热方向盘等加热功能增加，热管理越来越复杂，分门的控制数量慢慢的变多，这一些因素均提高了高边开关的需求。

  其次是高边开关正在逐渐替代传统的保险丝、继电器等方案。后者虽然设计简单，成本便宜，但是随着汽车功能安全、可靠性要求慢慢的升高，对PCB板面积、车身重量考量也慢慢变得重视，高边开关作为芯片，在可集成更多功能、可靠性、开关次数、寿命以及轻量化等方面表现都远比继电器优异，正迅速替换继电器等传统方案。

  “目前平均每辆传统燃油车中对高边开关的需求为40~60个通道，新能源车中达到80~120个，如果按今年国内预计汽车产量2800万辆来估算，预计在2025年国内高边开关市场规模可达到25~35亿元人民币，，随着新能源汽车渗透率不断的提高，在其市场占比达到峰值前，高边开关市场仍将快速地增长。”他表示。

  值得注意的是，随着高边开关慢慢的变多地应用于车身控制，相比传统的保险丝、继电器方案，这一转变对相应的汽车架构设计也带来了变化。

  范天伟解释，第一，无论是传统的继电器，还是如今的高边开关，都是用于负载驱动，这就带来多重的电路保护功能需求，比如过流、过温以及过热关断保护等等。以往继电器是没有保护功能的，因此就需要搭配很多外围电路来实现保护功能，比如过、欠压，过流保护等，这些外围电路加上继电器本身，无形中增加了成本、PCB面积和重量。使用高边开关将轻松解决这样一些问题，带来多重利益，可取代现有系统的多个组件，譬如继电器、熔丝、继电器驱动电路、电缆和连接器等。这使其能安装在车内其他位置，助力实现新一代轻量化的分布式整车配电架构。

  第二，继电器也不具备诊断功能。随着汽车电子化演进，对ISO 26262的功能安全等级要求慢慢的升高，包括底盘域、三单系统等都有功能安全要求，其中一个关键要求就是具备诊断功能，需要能够实时读取当前负载的电压、电流、温度等信号，并传输至主MCU中进行诊断判断。当汽车发生故障时，需要实时地反馈是哪个部分出现了问题。继电器本身是一个被动器件，不带任何诊断功能，需要额外搭配复杂的电路设计来实现；相反诊断是高边开关的基本功能之一，可在很大程度上简化PCB设计。

  第三，高边开关作为硅半导体，其开关次数几乎是没有限制的，可靠性明显高于继电器。同时，对于感性、容性、阻性等不一样的属性的负载，针对不同特性的负载要选择不同的继电器，而高边开关可根据不同的负载应用灵活设定开关属性。此外，继电器在开关导通时，会产生电火花等高能量进而导致非常高的EMI，这会使得产品在车厂认证时很容易出现一些明显的异常问题，高边开关则能很好的解决EMI问题。

  不难发现，高边开关虽然是很小的一个器件，但是在汽车电路设计中扮演着日益重要的角色。然而，目前高边开关国产化率仍然很低，市场主要被ST、英飞凌等欧美品牌所主导，尤其是大电流高边开关更是一直处在无国产替代局面，近几年虽然成长起来一些国产高边开关产品，但大多聚焦在小电流型号，在多通道、大电流产品方面仍然稀缺。

  “因此对于国产半导体来说，无论是在新能源车快速地发展的增量市场还是在目前以欧美半导体主导的存量市场，未来的增长空间都很大。”范天伟告诉集微网。

  在中国汽车制造商加速“出海”并在全球引领汽车电动化浪潮之际，类比半导体积极布局汽车电子芯片，依托于自身深厚的技术创造新兴事物的能力和对产品质量的严格把控，目前已量产车规级直流有刷电机驱动器DR702/3Q、车规级模数转换器等产品，产品已向众多主机厂商和Tier1客户批量供货，并实际应用在EPB、电门模块、电动尾门、天窗以及电动座椅等场景中。

  面对高边开关的新蓝海，在本次展会上，类比半导体展出了全新的车规级高边开关系列新产品HD7xxxQ，提供单、双通道数和多档导通电阻型号共八款产品，均具备全方位的保护和诊断功能，包括负载过流限制保护、相对过温保护、具有可配置闭锁功能的过热关断保护、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。据类比现场销售人员介绍，类比高边产品全系列Pin2Pin兼容ST和英飞凌，包括软件兼容等，客户能实现无缝切换替代。

  以单通道产品HD7008Q为例，其通道导通电阻RDS(ON)典型值达到6.5mΩ，在同等阻性负载条件下，可以允许通过更大电流，或者获得更低的板级温升，提升热性能，是目前国产高边开关领域稀缺的大电流产品。它具备最大0.1uA的待机功耗，在单板多芯片应用场景下优势显著，符合域控制器对低功耗需求趋势，具备高精度比例负载实时电流检测，提供更快诊断、检测需求；同时具有全方位的保护和诊断功能，包括集成智能负载开路、短路、过载等多种诊断，并提供全方面智能保护功能，包括Vcc欠压关断、VDS钳位、过温、相对过温以及失地、电池反接等保护。

  范天伟解释，车身电子功能的控制形式正随着汽车电子电气架构的演进而变化。从车门、后视镜、车窗、车灯等车身电子的分散控制，沿着车身控制模块BCM到车身末端控制器ECU，最后发展为面向下一代中央集中式架构的区域控制器(VIU/ZCU)。具体应用中根据不同内阻的高边开关来控制不一样的功率等级的负载。

  比如左右域，主要是LED照明、加热丝、电机等负载；后域主要是尾灯、尾门、天窗、LED照明和电机等，这两部分负载驱动主要以多通道、中小电流高边开关为主。前域则包含了一级配电系统、热管理等大电流负载，主要需要单通道、双通道的大电流高边开关。“具体而言，例如类比半导体内阻15mΩ的HD70152Q常用来驱动额定在10A以内的汽车转向灯，尾灯，氛围灯，照明灯，后视镜加热和电磁阀等负载；而内阻6.5mΩ的HD7008Q作为更大驱动能力的高边开关常用于驱动10A以上的负载，包括座椅加热、汽车喇叭、近远光灯、门锁等。”

  类比半导体HD7xxxQ系列的推出，打破了英飞凌、ST等厂商在车规级高边驱动的垄断局面。据悉，该系列新产品在国内汽车厂商和Tier1中的导入非常顺利，目前已经Design-in超过150家客户，多家客户实现批量供货，应用场景范围包括车身控制中的各类照明/电磁阀、电机等感性负载和各类加热系统等阻性负载以及BCM中ECU等驱动单元的配电系统。

  HD7xxxQ系列的成功上市进一步丰富了类比半导体的汽车芯片阵营，并且大电流型号产品的成功“上车”有利于率先卡住市场“身位”，范天伟表示，后续公司将在高边驱动这条产线持续做深做全做精。据他透露，当前类比量产和送样的高边开关产品达8款，预计2023年Q4继续新发布送样产品有6款，2024年上半年新发布送样11款，这样高低边系列新产品布局总计将达25款，将大幅促进国产化车载专用模拟芯片在关键领域的替代。

  近年来国产厂商在高边开关领域的不断地进步，尤其类比半导体此次在大电流型号上的突围，是诸多国内半导体从业者致力实现国产化目标踔厉奋发行不怠的生动写照。

  根据工信部，我国目标在2050年实现汽车芯片国产化率达到20%；而汽车重镇上海提出了更高的要求，希望可以在2025年实现国产芯片自主应用到达30%，芯片整车应用验证达到70%。

  就高边开关领域而言，范天伟指出，大部分国内公司产品聚焦在内阻80mΩ以上产品，少部分可做到50mΩ左右，20mΩ以下更是屈指可数。因此尽管当前国产企业取得了一定成绩，但是离行业领先水平仍有很大的差距，未来面临的挑战仍然十分艰巨。

  “高边开关是一个整合了功率器件、模拟电路和逻辑电路（电源、MOSFET、接口、控制等）的‘数模混合体’，无论是对芯片设计能力、工艺制造能力和产品封测都提出了极高的要求。在工艺方面，ST、英飞凌等IDM企业无疑天然具备优势，尤其其领先的BCD集成垂直工艺，在国内代工领域仍然在联合研发阶段。在封测方面，国内汽车电子封测也刚起步。”他表示，“以类比半导体为例，只能另辟蹊径，在制造方面与代工企业联合基于当前成熟的BCD工艺进行开发，基于自身强大的研发能力来弥补工艺上的差距。在封测和可靠性方面，通过与封测厂联合开发解决方案，以及在实验室环境下对产品做更高强度的加压试验，以保证产品可靠性。”

  工艺方面的差距，是国内开发大电流高边开关产品上的最大挑战。据范天伟透露，类比半导体与国内代工厂联合深度定制开发的相关工艺有很低的单位导通电阻，性能参数可与国际厂商媲美甚至更好，可靠性经过客户多重验证。在产品设计方面，HD7xxxQ系列中增加了温度等传感器，以实现更多指标的实时监控，逐渐增强了保护功能和器件可靠性。

  谈及高边开关未来技术演进，他指出，一方面，高边开关正走向更高集成度。随着汽车从分布式控制走向集中式控制，被切割成不同的“域”，对高边开关的需求增加，但是PCB面积在减小，这就要求单芯片的集成度要更高。因此高边开关在向着四通道、六通道、八通道方向发展，与此同时每个通道走向更大电流，也就是每个通道的RDS(ON)越来越小。这一定要通过改善散热条件、工艺能力，来实现更大的电流以及更多通道产品。另一方面，增加更智能化的功能，以灵活应对复杂的负载属性。例如如今汽车中基本没纯容性、纯感性或纯阻性的负载，可能是一个混合体，负载本身的特性曲线也不一样，未来趋势是在产品中增加SPI的控制诊断、读写设置等功能，既可以灵活匹配实际应用场景的负载特性，使其工作在更安全可靠的范围内，又可以使整个链路的线束成本得到极大的简化，进而使成本做到最优化。

  固然还面对着产业变革和技术演进带来的诸多挑战，但我国汽车电动化走在全球最前列，本土市场拉动成为国产汽车半导体企业崛起的有利因素。

  “面对国际厂商，本土公司具备更灵活的定价策略，国内汽车制造商也更多地制定了更激进的国产化率目标。与此同时国际厂商供应仍然紧张，对中小客户支持力度不足，这对国产汽车半导体企业而言是难得一遇的机遇窗口期，不可错过。”范天伟强调，“面对以上种种挑战和机遇，产业生态链的共同协作仍是胜的关键。并且，尽管这两年汽车产业链对于支持国产的意愿慢慢的升高，为了更长远的发展，努力提升自身产品性能、提升技术和市场竞争力才是核心要义。”

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