認(rèn)識(shí)模擬芯片

一、背景由于在車載系統(tǒng)的工作過程中，其對信號(hào)的處理流程大體是先通過各種傳感器對真實(shí)世界中的如聲音、壓力、溫度等信號(hào)進(jìn)行采集并處理后形成電信號(hào)，接著通過模擬芯片對此電信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，真實(shí)世界的信號(hào)便成為了數(shù)字世界中的0或1，最后交由軟件進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。以溫度信號(hào)為例，其大體示意如下：圖1

現(xiàn)實(shí)世界信息到數(shù)字世界信號(hào)的轉(zhuǎn)變過程在此過程中模擬芯片作為現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的接口，為了進(jìn)一步了解其工作原理，我們首先需對它們有所認(rèn)識(shí)，在此因素的驅(qū)動(dòng)之下，于是便有了本文的誕生。二、集成電路概述在種類繁多的半導(dǎo)體行業(yè)中按其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能的不同，大致可將其分為集成電路（IntegratedCircuit，IC）、分立器件、光電子器件和傳感器四類。其中集成電路即我們通常所稱的芯片，在芯片的工作過程中，根據(jù)其所處理的信號(hào)類型的不同，又可將其分為數(shù)字芯片和模擬芯片兩種。數(shù)字芯片：主要用于處理離散數(shù)字信號(hào)（0/1）的芯片，其種類較少，通常包括微處理器（MCU）、存儲(chǔ)芯片（RAM/ROM）和邏輯芯片（CPU/GPU等）三類。圖2

數(shù)字信號(hào)模擬芯片：是指由微電容、微電阻等器件組成的模擬電路，并將該電路通過技術(shù)手段進(jìn)行集成后封裝為一個(gè)IC，用于處理如由聲音、溫度、壓力等信號(hào)形成的具有連續(xù)函數(shù)型的信號(hào)。圖3

模擬信號(hào)由于現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)種類繁多，為了盡可能準(zhǔn)確地對相關(guān)信息進(jìn)行處理，便衍生出了各種各樣的模擬類芯片，不過在對其類型的劃分上，按其所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分門別類的話，目前僅有電源管理類芯片以及信號(hào)鏈類芯片兩種。三、電源管理類芯片電源管理類芯片顧名思義是指可實(shí)現(xiàn)對整車或控制單元中的電池或電能進(jìn)行變換、分配、檢測等管理功能的芯片，其主要包括如DC/DC或AC/DC等交直流電源轉(zhuǎn)換芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、電源管理芯片等產(chǎn)品。圖4

電源管理類芯片3.1、交直流電源轉(zhuǎn)換芯片在車載應(yīng)用中根據(jù)對系統(tǒng)中電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換方式的不同可將其分為DC/DC、DC/AC以及AC/DC等不同類型。DC/DC電源芯片：主要功能是對系統(tǒng)中的直流電進(jìn)行升壓或降壓調(diào)節(jié)。過程中為了確保輸出端電壓的穩(wěn)定，DC/DC芯片會(huì)通過反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的比較，對MOS管驅(qū)動(dòng)波形的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來保證輸出電壓的穩(wěn)定。目前DC/DC電源芯片按應(yīng)用場景及技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段的不同演化出了線性DC/DC和開關(guān)式DC/DC兩種類型。線性DC/DC是通過低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）來改變晶體管的導(dǎo)通程度，進(jìn)而對輸出的電壓與電流進(jìn)行控制，此類芯片產(chǎn)品具有成本相對低、輸出穩(wěn)定性高等特性，但由于受其技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理所限，當(dāng)輸入輸出端電壓差太大時(shí)，將會(huì)大大增加芯片的能耗，為此此類芯片僅適合用于差壓較小的場景。開關(guān)式DC/DC是通過由高頻穩(wěn)壓管、電感器等器件組成的直流輸出電路對占空比或頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對輸出端電壓的控制。其相較于線性DC/DC在設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜，但也由于精細(xì)化的設(shè)計(jì)，使得該類型產(chǎn)品具有功耗更低、體積小的特性。目前根據(jù)其輸出電壓的不同，可分為降壓、升壓和升降壓三類。圖5DC/DC芯片內(nèi)部AC/DC電源芯片：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中交流電到直流電的轉(zhuǎn)換功能，其與DC/DC具有相同的分類方式，也存在線性AC/DC和開關(guān)式AC/DC兩種類型。其中線性AC/DC采用傳統(tǒng)變壓器結(jié)構(gòu)，讓產(chǎn)品具有了更加簡潔的硬件架構(gòu)，但由于變壓器體積巨大，也導(dǎo)致了其難以微型化的缺陷。而開關(guān)式AC/DC通過如MOSFET開關(guān)管的應(yīng)用，讓產(chǎn)品具有了更小的體積與更低的能耗，目前該類產(chǎn)品在車載應(yīng)用中有如OBC等場景。圖6AC/DC在車載OBC中的應(yīng)用DC/AC電源芯片：主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中的直流電到交流電的轉(zhuǎn)換功能。在以動(dòng)力電池的直流電為主要應(yīng)用的新能源汽車上，DC/AC的應(yīng)用場景有如PTC加熱器、水泵、油泵、空調(diào)壓縮機(jī)等具有高壓應(yīng)用的輔逆變器中，以此來完成小功率DC/AC的轉(zhuǎn)換，同時(shí)隨著用戶對車用場景的拓展，通過充電口由外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)DC/AC的轉(zhuǎn)換應(yīng)用正在增加，不過外接設(shè)備已經(jīng)不屬于車載范疇了。3.2、驅(qū)動(dòng)芯片該產(chǎn)品在硬件設(shè)計(jì)中常位于主電路與控制電路之間，通過對控制電路信號(hào)的放大實(shí)現(xiàn)對特定器件的驅(qū)動(dòng)作用，按其應(yīng)用的不同可分為顯示驅(qū)動(dòng)芯片、音頻功放芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等。顯示驅(qū)動(dòng)芯片：如LCD/LED等驅(qū)動(dòng)芯片通過采用標(biāo)準(zhǔn)接口接收相關(guān)數(shù)據(jù)以生成相應(yīng)的電壓、電流等信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)終端顯示設(shè)備呈現(xiàn)所需的文本或圖案，在車載應(yīng)用中如對燈光陣列進(jìn)行重新顯示定義，以此來作為個(gè)性化用車的體現(xiàn)之一。圖7

車燈自定義顯示音頻功放芯片（功率放大器）：通過放大來自音源或前級放大器輸出的弱信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，從而使其發(fā)出聲音。根據(jù)芯片功率及放大效果的不同，該產(chǎn)品可劃分為A、B、AB、D四類，其中前三類為線性功放芯片，D類為數(shù)字功放芯片，四者主要特性如下：圖8

音頻功放芯片特性電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：用于控制電機(jī)工作，對其實(shí)現(xiàn)如轉(zhuǎn)速、扭矩、位置以及相關(guān)保護(hù)等功能的芯片。在車載應(yīng)用中如電機(jī)控制器對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制作用以及車身控制器對車窗升降電機(jī)的控制等。四、信號(hào)鏈類芯片信號(hào)鏈類芯片的主要功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器、天線端接收到的相關(guān)模擬信號(hào)進(jìn)行收/發(fā)、放大、過濾、轉(zhuǎn)換等功能，并將其由連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可適用于計(jì)算機(jī)語言的離散數(shù)字信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界信息轉(zhuǎn)換的橋梁。該產(chǎn)品主要包括如運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口芯片等。圖9

信號(hào)鏈類芯片運(yùn)算放大器：通過芯片與外部硬件電路的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對相關(guān)信號(hào)的放大、求和、微分、積分等運(yùn)算，又可通過與晶體管等有源器件的搭配實(shí)現(xiàn)數(shù)模、模數(shù)、調(diào)制等功能。圖10

運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)轉(zhuǎn)換形式的不同，可分為數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）與模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）兩類。其中按照輸出信號(hào)類型的