采用ASIC與分立元件研究家用電器中應用功能安全

電池技術的最新進展，加上環(huán)境和能源效率舉措，加速了許多家用電器走向無線化的進程。雖然移除主電源為用戶提供了更好的電擊保護，但風險并沒有完全降低，因此，功能安全仍然需要成為系統(tǒng)設計的核心原則。

本文著眼于如何在家用電器中應用功能安全，并研究采用 ASIC 與分立元件路線的經(jīng)濟臨界點。

針對家用電器的安全標準和立法的最新發(fā)展和增強包括針對有人值守使用設備的 IEC 60335、針對無人值守使用的 IEC 60730 和針對鋰離子電池的 UL 1642。這些標準不僅強調了這些設備在遵守保護人員和財產免受危險和損害的基本原則方面越來越重要，而且使它們符合功能安全一直以來的工業(yè)、汽車、醫(yī)療和航空系統(tǒng)。一個熱門話題。

管理電池和控制電機

便攜式電池供電設備通常使用鋰離子技術作為首選電源，因為它具有良好的能量重量比，是鎳鎘和鉛酸同類產品的五倍。鋰離子電池的操作充放電循環(huán)次數(shù)也多得多。

但是，在使用鋰離子電池時需要考慮一些因素，這些電池很敏感，需要保持在其充電和放電曲線的范圍內。它們不能容忍過度充電，因為過度充電會縮短使用壽命。在最壞的情況下，由于內部熱失控過程，它可能導致火災或爆炸，其中電池溫度升高到鋰熔點 （180.5°C）。

在低溫下為鋰離子電池充電也是一個問題。低于 0°C 會發(fā)生內部電鍍現(xiàn)象，這會損壞電芯并危及電池安全性。

通過主動監(jiān)測電池的溫度、電壓和電流，并在達到臨界極限之前激活保護機制，可以解決上述問題。例如，如果我們看一下便攜式真空吸塵器或無繩砂光機，我們會發(fā)現(xiàn)同時需要電池管理、電機速度控制和環(huán)境控制。為了解決這個問題，工程師可以采用分立元件方法，或者他們可以開發(fā) ASIC。

典型的電池/電機系統(tǒng)

如果我們首先看一下電池管理器的元素，它需要高精度的電壓感應來確定鋰離子電池的充電狀態(tài)和溫度。它通常還需要一個分辨率高達 16 位的 ADC 來監(jiān)控可能危及產品安全的嚴重情況，例如過載或過熱。

此外，需要具有內置閃存的 MCU 來處理對鋰離子電池的監(jiān)控，并添加額外的智能、用戶界面、調試、通信和輔助功能。

現(xiàn)在我們看看電機。需要速度控制的電機的傳統(tǒng)解決方案是帶有 PWM 驅動的無刷三相電機。然而，這種架構中控制電子設備的成本使其僅限于基于電源電壓的高端系統(tǒng)。

轉向低壓電池操作導致了一種不同的范式，即利用非常高效的低壓功率 MOS 開關，并能夠集成橋式整流電路。這帶來了一個額外的好處，即無需高壓電源隔離。

圖 1此框圖顯示了一個 ASIC，它有助于便攜式設備中的電池管理和電機控制功能。資料來源：EnSilica

ASIC 與分立元件

ASIC 以昂貴而聞名。幾年前這可能是正確的，ASIC 的新聞報道經(jīng)常通過關注由 Google、Tesla 和 Apple 開發(fā)的大型芯片來增強聲譽。這些 ASIC 使用領先的技術，單個掩模組需要巨額資金，設計成本高達數(shù)億美元。

但是，大多數(shù)應用程序不需要前沿技術，電池供電設備當然就是這種情況。相反，電池供電的電器往往是簡單、小巧和低功耗的。因此，通過采用雙極型 CMOS-DMOS （BCD） 等更具成本效益的技術，可以將電源、閃存以及模擬和數(shù)字功能集成到單個器件中，從而可以大幅減少掩膜和設計費用。

高壓 MOSFET 的不同掩蔽選項和高達 ~80V 的額定電壓為基于鋰離子電池的電機控制提供了 ASIC 硅解決方案。根據(jù)所需的電機功率，也可以將驅動級集成到同一個模具中。

在 BDC ASIC 實施中還可以實現(xiàn)其他功能，幾乎無需額外成本，包括用于更好 EMC 性能的驅動器轉換速率控制、電橋短路檢測和關斷、芯片熱監(jiān)控以及負載電壓和電流監(jiān)控。

CMOS 專用生產掩模組的成本在 28 nm 時為 130 萬美元，在 55/65 nm 時為 40 萬美元，180 nm 時降至 10 萬美元以下（圖 2）。隨著流程變得更加成熟，這些值會繼續(xù)降低；例如，55/65 nm 掩模組的成本大約是首次引入時的三分之一。

圖 2使用成熟技術可顯著降低掩模組成本。資料來源：EnSilica

當然，該過程并不是設計 ASIC 的唯一成本影響。IP 許可、開發(fā)和認證成本也需要計入 ROI 計算。

作為一個合理的經(jīng)驗法則，如果您希望 （a） 實現(xiàn)更小、更高效且更難模仿的設計，以及 （b）每個產品線的電子元件支出超過 200 萬美元。

圖 3 ASIC 還是 COTS？這是最近匿名現(xiàn)實世界安全關鍵設備的投資回報率分析。資料來源：EnSilica

最小化成本

因此，無論您是在內部設計還是使用定制的 ASIC 開發(fā)人員，都可以使用三個黃金法則來降低 NRE 成本并提高投資回報率。

規(guī)則 1：好好計劃

一個好的規(guī)范是成功的關鍵。準確了解市場上可用的產品以及客戶期望或想要的獨特功能或用戶體驗至關重要。替代方案將是缺少功能或過度指定的自定義 ASIC。這兩種方式都將失去優(yōu)于標準零件的優(yōu)勢。

規(guī)則 2：使用經(jīng)過驗證的 IP 塊

正如使用成熟的工藝將顯著降低掩模組成本一樣，使用經(jīng)過驗證的 IP 塊使工程師能夠更快地實現(xiàn)定制 ASIC 解決方案，并顯著降低出錯的風險。

規(guī)則 3：重用您的軟件（和您的 ASIC）

軟件開發(fā)顯著影響項目 NRE 和上市時間。事實上，工具和軟件的開發(fā)可能是您在產品生命周期中所做的最大投資，因此重用現(xiàn)有的應用程序和軟件庫可以極大地幫助控制項目成本并加快產品上市時間。

還應注意，如果 ASIC 可用于多個產品線，則每臺設備的 NRE 成本會進一步降低。

Enrique Martinez是定制 ASIC 設計公司 EnSilica 的功能安全經(jīng)理。