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網絡電子系統(tǒng)在汽車和工業(yè)應用中日益得到廣泛部署，飛利浦采用獨特的新型絕緣體上硅芯片(SOI)技術推出的控制域網絡(CAN)接收器，具有卓越的EMC性能，既可提高可靠性又能有效地降低系統(tǒng)成本。本文將介紹飛利浦半導體公司的SOI技術及其在實現(xiàn)CAN收發(fā)器EMC優(yōu)化方面的重大突破。 基于對更高安全性,例如防抱死(ABS)系統(tǒng)和氣囊；更佳的操作性能，例如引擎控制和自動換檔；以及更高的舒適度(如采用自動空調和座椅調節(jié))需求的增長，汽車中集成了更多的電子控制器件，而且這一趨勢愈演愈烈。 在各種工業(yè)應用中，電子控制電路的復雜性也提出了日益嚴格的要求，這使得EMC這種一個電子設備的運行對另一個設備功能的影響變得至關重要。
EMC 性能欠佳會導致干擾，嚴重的話將影響設備的正常運行。例如，對汽車而言，如果運行開窗機械裝置產生干擾，將會影響無線電的接收，對購買者而言這無疑是惱人的質量問題。而如果開窗/關窗對安全氣囊系統(tǒng)或 ABS 系統(tǒng)有不利影響，肯定會被視為一種嚴重的安全隱患。因此，時至今日，諸如屏蔽電纜和附加電抗線圈之類昂貴的保護措施仍顯得很有必要。 如今，越來越多的廠商通過CAN數(shù)據(jù)總線將電子控制設備集成到汽車及其他領域。該總線的EMC性能通常由網絡節(jié)點和傳輸媒介間接口所采用的CAN收發(fā)器IC決定。現(xiàn)在，采用創(chuàng)新的“A-BCD”SOI技術，飛利浦推出了EMC性能得到極大改善的CAN收發(fā)器模塊。 飛利浦引領SOI智能功率BCD技術潮流，目前在該領域已推出超過5億個產品，大多面向汽車應用。“A-BCD”技術在一顆芯片上集成了雙極、CMOS和高壓DMOS晶體管，能夠實現(xiàn)復雜混合信號SoC設計。“SOI”是“絕緣體上硅芯片”的縮略語，充分表達了該半導體工藝的獨特性能：與傳統(tǒng)技術不同，這種工藝是在硅基板和實際有效硅層之間放一個厚度為1微米的氧化物埋層(如圖1所示)，利用氧化物埋層可以完全隔離芯片上所有的元器件。 1 SOI保證EMC性能的優(yōu)化 隔離所有的元器件能極大地降低寄生電容。因此，與傳統(tǒng)工藝相比，SOI技術可以更簡便地實現(xiàn)芯片設計。這是由于傳統(tǒng)工藝的寄生效應只能通過建模來預測，而且實現(xiàn)難度大，因而不得不采用耗時的、反復的實驗工藝。 最為重要的是，這是有史以來的第一次，采用SOI工藝，IC設計者可以同時獨立地優(yōu)化收發(fā)器的抗干擾性及輻射性能，從而開辟了新天地。比較而言，傳統(tǒng)工藝的設計限制意味著在輻射優(yōu)化和抗干擾優(yōu)化之間必需要進行妥協(xié)。而采用SOI技術，這種雙重妥協(xié)就會成為歷史。
圖2是采用飛利浦SOI工藝的TJA1054容錯CAN收發(fā)器與采用傳統(tǒng)BCD工藝制造的前代TJA1053的輻射對比。在抗干擾的同時，輻射平均減少了20 dB以上。這在EMC性能方面堪稱“石破天驚”的改變，即使在復雜的網絡架構中也無需屏蔽電纜，因而有效地節(jié)約了成本。 飛利浦通過其TJA1050成功驗證了SOI工藝在高速CAN收發(fā)器中的可用性。與采用傳統(tǒng)技術生產的PCA82C250產品相比，極大地降低了輻射，甚至可能同時大幅提高抗干擾性。TJA1040、TJA1041和TJA1041A進一步擴展了采用SOI技術的高速CAN系列產品，提供低功率模式和附加特性。 基于網絡架構，SOI工藝第一次實現(xiàn)了避免使用至今仍廣泛采用的電抗線圈。這就節(jié)約了元器件成本，簡化了電路板裝配，并提高了控制電子元器件的機械負載能力。 2 SOI和A-BCD3技術前景無限 除了卓越的EMC性能和簡便設計外，SOI工藝還擁有諸多其他的顯著優(yōu)勢。例如，較之傳統(tǒng)的結點絕緣工藝，其封裝密度可降低20%到30%，因而縮小了芯片的表面積。此外，掩膜數(shù)量的減少能簡化工藝，縮短上市時間，降低成本。此外，SOI工藝能提供固有的、強勁的抗電壓脈沖性能，而且Rds(on) 值可降低20%左右，因此能將功率元器件和小信號模擬及密集的CMOS有源器件直接集成在單個硅芯片上。最后，隔離氧化物埋層能減少泄漏電流，可在高于150°C的溫度下工作。在某種意義上，SOI工藝是集成總線收發(fā)器、電源和邏輯的理想選擇，這種技術將日益得到廣泛部署，例如在汽車的局域互聯(lián)網絡(LIN)子總線的從動節(jié)點以及故障安全系統(tǒng)基礎芯片等領域。 為了支持下一代SoC應用，飛利浦目前正在力推其第三代A-BCD3 SOI技術。這種通用0.6微米SOI BCD技術包含單個多晶硅柵層及3個金屬層，具有120V電壓處理能力，完全適用于下一代42V電池供電系統(tǒng)。器件被做在位于一個1微米氧化物埋層上的厚度為1.5微米的硅器件層上，其間用氧化物和多晶硅填充的溝道隔離。與結點絕緣工藝相比，在所有器件間都進行小溝道隔離能將小信號模擬電路的面積縮小50%。 A-BCD3工藝包含諸多有源/無源器件，包括：5V CMOS、同類產品中Rds(on) 值最佳的12到120V DMOS器件(如圖4所示)、18V NPN和PNP雙極晶體管、60V結點FET晶體管、9V齊納管以及各種晶體管和低/高壓電容器。此外，還包括RAM和ROM存儲器、用于進行修改和識別的非易失性EEPROM存儲器及中型程序存儲器。 該工藝有兩種金屬化方法可供選擇，其一是采用一個能實現(xiàn)密集數(shù)字CMOS(每平方微米4500柵)的第三金屬層，其二是采用3 微米厚的第三金屬層，用于將金屬對功率器件總電阻的影響降至最小，實現(xiàn)高電流功率布線。合適的器件設計確實能進一步實現(xiàn)在有源器件上的布線，顯著削減布線費用。SOI技術及金屬層下面的鈦氮化合物隔離層能夠支持溫度高達200°C的汽車應用。 飛利浦半導體正在推出的LIN I/O從動器件UJA1023就具備了基于A-BCD3技術的SoC性能。這是一個自主的LIN從動系統(tǒng)，無需添加微控制器或軟件。它集成了一個LIN 2.0收發(fā)器、8個獨立的可配置I/O引腳以及集成的模數(shù)轉換器，并可通過LIN總線進行編程。由于采用了A-BCD3技術，LIN I/O從動裝置可直接由電源供電。 A-BCD3技術發(fā)揮關鍵作用的另一領域是故障安全系統(tǒng)基礎芯片(SBC)系列產品UJA106x。該系列將LIN、高速CAN及容錯CAN等各種物理層與電壓調節(jié)監(jiān)視器、片上振蕩器及SPI接口集成在一起。基于密集數(shù)字功能，狀態(tài)機可與每個故障安全SBC集成在一起，以設計出真正的故障安全系統(tǒng)。故障安全性能意味著一旦電子控制單元(ECU)發(fā)生故障，故障安全SBC會將ECU置于最低功耗模式，以防止耗盡電池電量。此外，產生故障的ECU將不再與總線進行通信，以保證總線和其他ECU的通信繼續(xù)進行。 A-BCD3這種下一代SOI能將系統(tǒng)功能集成到一顆可靠的單片電路芯片中。 3 結論 飛利浦半導體的SOI技術已被證實是用于汽車車內網絡收發(fā)器的理想技術。高壓元器件和低泄漏電流相結合能夠實現(xiàn)具有卓越EMC性能的耐用設計。正是這些高壓元器件使得設計出的收發(fā)器既能用12V電池驅動，也能在24V及42V電壓下運作。因此，模塊的設計適用于卡車和客車，而42V電壓驅動被期望用于諸如電子控制懸架等高功耗應用。 A-BCD技術除具有卓越的模擬性能外，還具有密集數(shù)字工藝功能，能實現(xiàn)數(shù)字功能的高度集成。模擬和數(shù)字功能的結合為未來提供了新的可能。EUC設計的進一步集成可以節(jié)省空間并降低系統(tǒng)成本。此外，收發(fā)器、電壓調節(jié)器、監(jiān)視器、振蕩器及SPI接口等通用ECU功能的巧妙集成能創(chuàng)建更加可靠且故障安全的車內網絡。隨著未來汽車車內網絡節(jié)點數(shù)量的不斷增加，這一功能變得日益重要。因為一個節(jié)點發(fā)生故障就會阻礙總線通信，而且停車時電池電量也會很快耗完。 諸如故障安全系統(tǒng)基礎芯片和LIN I/O從動裝置等最初的集成步驟已經完成。這當然不是最終的集成，事實上只是邁向未來的初級階段，而且這將決定車內網絡收發(fā)器的發(fā)展路線。這一路線圖將繼續(xù)在LIN和CAN中采用獨立的收發(fā)器。同時，故障安全系統(tǒng)基礎芯片和集成的LIN I/O從動裝置等集成解決方案有待進一步開發(fā)。 |
