采用ASIC与分立元件研究家用电器中应用功能安全

电池技术的最新进展，加上环境和能源效率举措，加速了许多家用电器走向无线化的进程。虽然移除主电源为用户提供了更好的电击保护，但风险并没有完全降低，因此，功能安全仍然需要成为系统设计的核心原则。

本文着眼于如何在家用电器中应用功能安全，并研究采用 ASIC 与分立元件路线的经济临界点。

针对家用电器的安全标准和立法的最新发展和增强包括针对有人值守使用设备的 IEC 60335、针对无人值守使用的 IEC 60730 和针对锂离子电池的 UL 1642。这些标准不仅强调了这些设备在遵守保护人员和财产免受危险和损害的基本原则方面越来越重要，而且使它们符合功能安全一直以来的工业、汽车、医疗和航空系统。一个热门话题。

管理电池和控制电机

便携式电池供电设备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，是镍镉和铅酸同类产品的五倍。锂离子电池的操作充放电循环次数也多得多。

但是，在使用锂离子电池时需要考虑一些因素，这些电池很敏感，需要保持在其充电和放电曲线的范围内。它们不能容忍过度充电，因为过度充电会缩短使用寿命。在最坏的情况下，由于内部热失控过程，它可能导致火灾或爆炸，其中电池温度升高到锂熔点 （180.5°C）。

在低温下为锂离子电池充电也是一个问题。低于 0°C 会发生内部电镀现象，这会损坏电芯并危及电池安全性。

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，如果我们看一下便携式真空吸尘器或无绳砂光机，我们会发现同时需要电池管理、电机速度控制和环境控制。为了解决这个问题，工程师可以采用分立元件方法，或者他们可以开发 ASIC。

典型的电池/电机系统

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感应来确定锂离子电池的充电状态和温度。它通常还需要一个分辨率高达 16 位的 ADC 来监控可能危及产品安全的严重情况，例如过载或过热。

此外，需要具有内置闪存的 MCU 来处理对锂离子电池的监控，并添加额外的智能、用户界面、调试、通信和辅助功能。

现在我们看看电机。需要速度控制的电机的传统解决方案是带有 PWM 驱动的无刷三相电机。然而，这种架构中控制电子设备的成本使其仅限于基于电源电压的高端系统。

转向低压电池操作导致了一种不同的范式，即利用非常高效的低压功率 MOS 开关，并能够集成桥式整流电路。这带来了一个额外的好处，即无需高压电源隔离。

图 1此框图显示了一个 ASIC，它有助于便携式设备中的电池管理和电机控制功能。资料来源：EnSilica

ASIC 与分立元件

ASIC 以昂贵而闻名。几年前这可能是正确的，ASIC 的新闻报道经常通过关注由 Google、Tesla 和 Apple 开发的大型芯片来增强声誉。这些 ASIC 使用领先的技术，单个掩模组需要巨额资金，设计成本高达数亿美元。

但是，大多数应用程序不需要前沿技术，电池供电设备当然就是这种情况。相反，电池供电的电器往往是简单、小巧和低功耗的。因此，通过采用双极型 CMOS-DMOS （BCD） 等更具成本效益的技术，可以将电源、闪存以及模拟和数字功能集成到单个器件中，从而可以大幅减少掩膜和设计费用。

高压 MOSFET 的不同掩蔽选项和高达 ~80V 的额定电压为基于锂离子电池的电机控制提供了 ASIC 硅解决方案。根据所需的电机功率，也可以将驱动级集成到同一个模具中。

在 BDC ASIC 实施中还可以实现其他功能，几乎无需额外成本，包括用于更好 EMC 性能的驱动器转换速率控制、电桥短路检测和关断、芯片热监控以及负载电压和电流监控。

CMOS 专用生产掩模组的成本在 28 nm 时为 130 万美元，在 55/65 nm 时为 40 万美元，180 nm 时降至 10 万美元以下（图 2）。随着流程变得更加成熟，这些值会继续降低；例如，55/65 nm 掩模组的成本大约是首次引入时的三分之一。

图 2使用成熟技术可显着降低掩模组成本。资料来源：EnSilica

当然，该过程并不是设计 ASIC 的唯一成本影响。IP 许可、开发和认证成本也需要计入 ROI 计算。

作为一个合理的经验法则，如果您希望 （a） 实现更小、更高效且更难模仿的设计，以及 （b）每个产品线的电子元件支出超过 200 万美元。

图 3 ASIC 还是 COTS？这是最近匿名现实世界安全关键设备的投资回报率分析。资料来源：EnSilica

最小化成本

因此，无论您是在内部设计还是使用定制的 ASIC 开发人员，都可以使用三个黄金法则来降低 NRE 成本并提高投资回报率。

规则 1：好好计划

一个好的规范是成功的关键。准确了解市场上可用的产品以及客户期望或想要的独特功能或用户体验至关重要。替代方案将是缺少功能或过度指定的自定义 ASIC。这两种方式都将失去优于标准零件的优势。

规则 2：使用经过验证的 IP 块

正如使用成熟的工艺将显着降低掩模组成本一样，使用经过验证的 IP 块使工程师能够更快地实现定制 ASIC 解决方案，并显着降低出错的风险。

规则 3：重用您的软件（和您的 ASIC）

软件开发显着影响项目 NRE 和上市时间。事实上，工具和软件的开发可能是您在产品生命周期中所做的最大投资，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产品上市时间。

还应注意，如果 ASIC 可用于多个产品线，则每台设备的 NRE 成本会进一步降低。

Enrique Martinez是定制 ASIC 设计公司 EnSilica 的功能安全经理。