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生产汽车用更小尺寸功率MOSFET及肖特基二极管的封装挑战

Kevin Keller?? 安森美半导体标准产品部应用工程经理?? 2012年06月08日 ?? 收藏0
据研究公司Strategy Analytics的研究,全球汽车电子市场总值到2017年预计将达2,400亿美元。用于动力系统、照明及车身电子的创新集成电路(IC)正在帮助汽车制造商降低他们所产汽车的排放等级、提升燃油经济性及增加安全性。

图1,1950年至2020年欧洲汽车电子成分增长态势 (资料来源:Frost & Sullivan)。
图1,1950年至2020年欧洲汽车电子成分增长态势 (资料来源:Frost & Sullivan)。

近年来,平均每辆汽车中所使用的电子元器件的数量已经大幅上升,并将以接近指数速率继续增长(如图1所示)。而随着电动/混合动力汽车的增多,使用的电流变得更大,这就要求更高的汽车电子成分。此外,线控(x-by-wire)技术(替代众多机械式控制联动装置)的出现也有明显效果。因此,越来越需要更紧凑及高性能的半导体器件为这些复杂电子硬件供电,提供更高能效等级并延长电池使用时间,同时占用更少空间。虽然半导体工艺技术持续紧密遵从摩尔定律,支持越来越小的IC裸片几何尺寸,但要使包裹裸片的封装与此进展保持同步,就必须克服大得多的技术挑战。

除了功率IC要能够处理大电流及具备强开关能力,还需要其他重要进展使它们使用的封装技术能够应对确保足够散热及强固性,同时维持总体性价比等顾虑。为了减少这些器件占用的电路板面积,必须将大量的工程设计投注在一些问题上,如减小互连阻抗,限制引线电感,同时还提供充足的散热管理,从而确保这些器件的长期可靠性。

汽车设计中使用的所有元器件都必须提供长使用寿命和极高可靠性,因为这些元器件的任何故障都可能产生严重后果。召回成千上万辆车某特定车型的代价对于制造商而言极为高昂,而且在更坏情况下可能严重影响品牌形象。因某种由于封装设计太差而不能处理指定任务的相对较便宜的功率IC而必须召回汽车的风险实在太高。

汽车应用IC封装技术的进展  

汽车电子应用中使用的封装类型拥有比其它应用领域(如便携消费、白家电、家庭娱乐等)长远得多的寿命周期。在某些汽车设计中,金属外壳元件直到近期才被淘汰。在过去十年来,SMB、SMC及DPAK封装已经变得更受青睐,但是,汽车制造商在其最新车型中增添更多功能所面临的极大压力正加速向更先进封装技术的过渡。作为回应,半导体研究及开发开始极为着重于实现省电及节省能源支出,将更好的功率MOSFET及肖特基二极管方案用于汽车。一种新的表面贴装封装正在兴起,这种封装具有应对此需求的必要特性。

燃油喷射系统 

过去几十年来,为汽车发动机供油的方式已经发生变化,如今的支撑性电子电路可以控制燃油注入的时序以及加注的燃油量,可靠性相比以前大增。对于汽车制造商指定用于此应用的肖特基二极管和MOSFET器件而言,如今的工作温度范围需要达到最少175?C的上限,而且200?C也正变得更加常见。它们必须极为紧凑及纤薄,由于在此应用中的空间极为有限,故提升了功率密度,反过来也放大了又快又好散热的问题。

HID汽车照明 

因为高强度气体放电(HID)灯大幅提升驾驶员的可视范围并因此提升道路安全性,如今HID正在被集成于汽车照明系统中,替代传统的卤素灯。欧盟如今已经通过法规,强制要求2011年起生产的每辆汽车均配备日间行车灯(即DRL,属于LED前照灯,只要发动机在工作,此灯就开启),试图以此降低交通事故频率。像这样的固态照明系统需要更复杂的驱动器电子电路,而且同样需要更小的元器件,原因就是这些模块本来就受限于空间。虽然这些元器件(超快二极管及MOSFET)并不总是用于像燃油喷射所需要的高应力环境,但仍然面临挑战,因为它们还会暴露在电磁干扰(EMI)及大的电压尖峰环境下。

在汽车设计的其它应用场合中,我们同样还是会反复看到相同的实际基础问题。无论是用于防锁死刹车系统(ABS)、仪表板或是变速箱系统,都持续需要处理极高热量及占用尽可能少的电路板空间。

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汽车电子? 功率MOSFET? HID汽车照明?

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