使用asic在电池供电的电器中实现功能安全
文章作者:恩里克·马丁内斯
设计者可以考虑使用asic实现功能安全，以保护家用电器的电池和电机控制设计。万博投注网址
电池技术的最新进展，加上环保和节能措施，加速了许多家用电器的无线化进程。虽然拆除市电供应可以更好地保护用户免受电击，但风险并没有完全减轻，因此，功能安全仍然需要成为系统设计的核心原则。
本文着眼于如何将功能安全性应用于家用电器，并研究了采用ASIC与分立组件路径实现此目的的经济临界点。
最新的发展和加强旨在为家电的安全标准和立法包括IEC 60335，用于参与使用设备，IEC 60730用于未参加使用，锂离子电池的UL 1642。这些标准不仅突出了这些器件越来越重要，以遵守保护人民和财产免受危险和损害的基本原则，而且还将它们符合工业，汽车，医疗和航空航天系统，其中功能安全始终如一一个热门话题。
管理电池和控制电机
便携式电池驱动电器通常使用锂离子技术作为首选电源，因为它具有良好的能量重量比，是镍镉和铅酸电池的5倍。锂电池也有更多的操作充放电循环次数。
然而，在使用锂离子电池时，需要考虑一些因素，因为锂离子电池很敏感，需要保持在充放电轮廓的范围内。他们不能容忍过高的收费，因为过高的收费会减少使用寿命。在最坏的情况下，它可能会导致火灾或爆炸由于内部热失控过程中，电池温度上升到锂熔点(180.5℃)。
在低温下给锂离子电池充电也是一个问题。在0℃以下，会出现内部电镀现象，会损坏电池，危及电池安全。
通过主动监测电池的温度、电压和电流，并在达到临界极限之前激活保护机制，可以解决上述问题。例如，如果我们看看便携式真空吸尘器或无绳磨砂机，我们可以看到对电池管理、电机速度控制和环境控制的需求。为了做到这一点，工程师们可以采用分立组件的方法，或者他们可以开发一个专用集成电路。
一个典型的电池/马达系统
如果我们首先看一下电池管理器的元素，它需要高精度的电压传感来确定锂离子电池的充电状态和温度。通常还需要16位分辨率的ADC来监控可能危及产品安全的临界情况，如过载或过热。
此外，需要一个带内置闪存的MCU来处理锂离子电池的监控，并添加额外的智能，用户界面，调试，通信和辅助功能。
现在我们来看马达。对于需要速度控制的电机，传统的解决方案是a三相无刷电机带有PWM驱动器。然而，在这种架构中的控制电子的成本限制了它基于市电电压的高端系统。
向低压电池操作的转变带来了一种不同的模式，即利用非常高效的低压功率MOS开关，并使桥式整流电路得以集成。这带来了一个额外的好处，消除了对高压电源隔离的需要。
图1这个框图显示了一个便于电池管理和便携式电器电机控制功能的ASIC。来源:EnSilica
ASIC与分立组件
asic以昂贵著称。这可能是多年前的事实，媒体对asic的报道往往通过关注谷歌、特斯拉和苹果开发的大型芯片来加强声誉。这些专用集成电路使用尖端技术，单个掩模组需要大量资金，设计成本可达数亿美元。
然而，大多数应用程序不需要前沿技术，这对于电池供电的设备来说无疑是如此。相反，电池供电的电器往往简单、小、低功耗。因此，通过采用更经济的技术，如双极- cmos - dmos (BCD)，它允许将电源、闪存以及模拟和数字功能集成到单个设备中，有可能大幅降低屏蔽和设计成本。
不同的屏蔽选项和高达80V的高压mosfet额定电压使基于锂离子电池的电机控制的ASIC硅解决方案成为可能。根据所需的电机功率，也可以将驱动阶段集成到同一个模具中。
在BDC ASIC实现中，还可以实现其他功能，几乎不需要额外的成本，包括驱动器的切换率控制，以获得更好的EMC性能，桥接短路检测和关闭，芯片热监测，以及负载电压和电流监测。
CMOS专用生产面膜集的成本在28纳米的130万美元，55/65纳米的40万美元，下降到180纳米（图2）。随着过程变得更加成熟，这些值继续减少;例如，55/65 nm掩模组大约是第一次引入时的成本。
图2使用成熟的技术大大降低了掩模组的成本。来源:EnSilica
当然，这个过程并不是设计ASIC的唯一成本。知识产权授权、开发和资质成本也需要考虑到投资回报率的计算中。
作为一个合理的经验法则，如果你想(a)实现更小、更高效、更难以模仿的设计，(b)每个产品线的电子元件花费超过200万美元，那么你应该考虑使用ASIC而不是商用现货(COTS)。
图3ASIC或床吗?以下是最近一个匿名的现实世界安全关键设备的ROI分析。来源:EnSilica
最小化成本
因此，无论你是自己设计还是使用定制的ASIC开发人员，有三条黄金法则可以帮助你降低NRE成本并提高ROI。
规则1:做好计划
一个好的规范是成功的关键。确切地了解市场上有什么可用的，以及客户期望或想要的独特功能或用户体验是至关重要的。另一种选择是缺少功能的自定义ASIC，或者是过度指定的ASIC。这两种方式都将失去相对于标准件的优势。
规则2:使用经过验证的IP块
正如使用成熟的流程将显著降低掩码设置成本一样，使用经过验证的IP块使工程师能够更快地实现定制的ASIC解决方案，并显著降低出错的风险。
规则3:重用软件(和asic)
软件开发对项目的NRE和上市时间都有重大影响。实际上，工具和软件的开发可能是您在产品生命周期中要进行的最大投资，因此重用现有的应用程序和软件库可以极大地帮助控制项目成本，并加快上市时间。
还应该注意的是，如果ASIC可以跨多个产品线使用，每台设备的NRE成本将进一步降低。
本文最初发表于经济日报。
恩里克·马丁内斯是定制ASIC设计公司EnSilica的功能安全经理。
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