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芯片科普：儲能電源中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片
ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）是儲能系統(tǒng)中必不可少的芯片，是模擬芯片中難度最高的一部分，也被人們贊譽(yù)為模擬電路皇冠上的明珠。ADC在儲能電源中的作用主要是進(jìn)行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。
1974年，世界上首個(gè)ADC芯片由IBM的M. Klein所推出，至今已有近50年的歷史。ADC主要作用是將真實(shí)世界產(chǎn)生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式。
模擬信號經(jīng)過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經(jīng)過編碼器，使梯形信號中的每一級都變成二進(jìn)制碼。最后，模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換。
與ADC相對的還有DAC，主要作用是將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號，從應(yīng)用需求來看，ADC總需求更高，占比接近80%。
市場中，目前的主導(dǎo)企業(yè)主要為ADI、TI、瑞薩等，國內(nèi)的企業(yè)如圣邦微、芯海、必易微、晶華微、芯佰微、迅芯微、治精微、類比、智毅聚芯等。
ADC芯片的工作原理是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，需要經(jīng)過采樣、保持、量化和編程四個(gè)階段。根據(jù)不同的處理方式，ADC芯片的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場景有很多種，例如Flash結(jié)構(gòu)、Half-Flash結(jié)構(gòu)、折疊型（Folding）結(jié)構(gòu)、Σ-Δ（Sigma-Delta）結(jié)構(gòu)、逐次逼近型（SAR）結(jié)構(gòu)、流水型（Pipelined）等，儲能電源中主要使用的便是Σ-ΔADC。
有意思的是，盡管ADC芯片已經(jīng)發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)，但ADC/DAC芯片產(chǎn)業(yè)更新迭代的速度要比普通的芯片更快，大概是以4-6年為一個(gè)周期。
據(jù)Statista統(tǒng)計(jì)，2022年ADC芯片市場規(guī)模約為29.3億美元，同比增長6.55%，預(yù)計(jì)到2027年全球ADC芯片市場規(guī)模將達(dá)到40.9億美元，2022-2027年均復(fù)合增速為6.90%。
儲能電源中關(guān)鍵的ADC
ADC芯片在儲能電源中扮演著重要的角色，主要用于電池的監(jiān)測和管理。在電化學(xué)儲能系統(tǒng)中，BMS（電池管理系統(tǒng)）是至關(guān)重要的部分，它需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的狀態(tài)，如電壓、電流和溫度等，并通過特定的算法對電池的SOC（State of Charge，充電狀態(tài)）和SOH（State of Health，健康狀態(tài)）等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
為了實(shí)現(xiàn)高精度的電池狀態(tài)估計(jì)和有效的電池管理，ADC芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給BMS使用。這樣，MCU就可以根據(jù)這些精確的數(shù)字信號數(shù)據(jù)對電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾砗涂刂疲源_保電池的安全和有效運(yùn)行。
例如，當(dāng)電池的溫度升高或者電流過大時(shí)，MCU可以通過ADC芯片獲取到這些信息，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施來防止電池出現(xiàn)過熱或者過充的情況，從而保護(hù)電池的使用壽命和安全。
從工作原理來看，ADC是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這個(gè)過程通常包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。
ADC通過采樣-保持電路，將輸入的模擬信號進(jìn)行取樣，即選取信號的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者一小段時(shí)間內(nèi)的電平作為樣本。在取樣后，ADC會(huì)保持這個(gè)樣本值不變，直到下一次取樣。
隨后ADC會(huì)將取樣后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這個(gè)過程包括將模擬信號的幅度進(jìn)行數(shù)字化，通常采用二進(jìn)制表示。最后，ADC將量化后的數(shù)字信號進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，以便于計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理和識別。
ADC芯片的核心原理是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程是通過比較和轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。在比較過程中，ADC將輸入模擬信號與一個(gè)參考模擬量進(jìn)行比較，得到一個(gè)相對的數(shù)字值。而轉(zhuǎn)換則是將這個(gè)相對的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成真正的二進(jìn)制數(shù)值。
不同類型的ADC芯片有不同的實(shí)現(xiàn)方式和工作原理，如逐次逼近型ADC、Σ-Δ型ADC等。其中，逐次逼近型ADC采用逐次比較的方法，將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較而輸出數(shù)字值。Σ-Δ型ADC則以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率，然后對ADC輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。
小結(jié)
在儲能電源中，ADC的作用主要是進(jìn)行高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在儲能系統(tǒng)中，ADC廣泛應(yīng)用于電信號的檢測，如電池包電壓和電流/絕緣電阻、接觸器端電壓、繼電器粘連檢測、充電檢測等，幫助實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰電池管理過程中的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和充放電管理。
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德州儀器新發(fā)布符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的 MSPM0 MCU，助力優(yōu)化汽車車身控制模塊設(shè)計(jì)
汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代人出行的必備工具，隨著科技的進(jìn)步，它不僅提供了便捷的交通方式，還逐漸成為未來生活的“第三空間”。駕駛者和乘客對汽車的舒適性和功能安全性也提出了更高的要求，這也推進(jìn)了車身控制領(lǐng)域 MCU 的智能化發(fā)展。為了滿足這一需求，德州儀器進(jìn)一步拓展了 MSPM0 家族的應(yīng)用布局，推出了全新的車規(guī)級通用 MCU。該系列面向車身控制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從工業(yè)級到車規(guī)級的拓展。德州儀器 MSP 微控制器業(yè)務(wù)副總裁兼總經(jīng)理 Vinay Agarwal 也就此次 MCU 車規(guī)級芯片的發(fā)布接受了媒體訪問。符合車規(guī)級 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，高性能、低功耗的出色結(jié)合：MSPM0-Q1是基于 Arm? Cortex?，符合汽車標(biāo)準(zhǔn) (AEC-Q100) 的 MCU，旨在滿足車身電子產(chǎn)品應(yīng)用的系統(tǒng)要求。這些 MCU 以極低的成本提供了更小的封裝、易于使用的標(biāo)準(zhǔn)化軟件、高性能低功耗外設(shè)和全方位引腳對引腳可擴(kuò)展性。 談及此次從工業(yè)級到車規(guī)級的布局，Vinay認(rèn)為：“德州儀器開發(fā)全系列 MSPM0 的產(chǎn)品組合，初衷是希望幫助客戶縮短他們的開發(fā)時(shí)間，把更多的時(shí)間花在優(yōu)化和提高自己的系統(tǒng)方面上。”未來，無論是通用的還是需要模擬信號鏈控制的集成的 MCU，都可以在 德州儀器 的產(chǎn)品組合中找到。Vinay還介紹了 MSPM0-Q1 系列的一些亮點(diǎn)，例如： ? 可拓展性MSPM0-Q1 從硬件、軟件和模擬集成方面，都提供了高度的兼容性和靈活性。從硬件角度，MSPM0-Q1 采用了引腳對引腳的兼容設(shè)計(jì)，只要是同一種封裝，全系列產(chǎn)品都可以互換，實(shí)現(xiàn)硬件的兼容。從軟件角度，德州儀器提供了各種參考代碼、圖形化的編程界面等，方便客戶快速開發(fā)和調(diào)試。從模擬集成方面，MSPM0-Q1 提供了運(yùn)放、ADC/DAC、比較器等的集成選項(xiàng)，滿足不同的模擬信號鏈控制的需求。? 成本和性能的結(jié)合? 內(nèi)置故障診斷機(jī)制和安全性擴(kuò)展，幫助客戶滿足功能安全和故障診斷的要求。? 高度集成的高精度模擬外設(shè)、CAN-FD 和 LIN 的通訊接口，減小布板空間并優(yōu)化系統(tǒng)成本。? 提供了從 32M 到 80M 的 CPU 頻率范圍，滿足不同的性能和存儲需求。? 提供了 16 引腳到 64 引腳的多種封裝選項(xiàng)，方便客戶進(jìn)行產(chǎn)品迭代和升級。? 德州儀器內(nèi)部集成的信號鏈 IP 支持內(nèi)部互聯(lián)，便于節(jié)省外部空間和外部元器件，? 全系列低功耗 MCU。據(jù) Vinay 介紹，德州儀器全系列產(chǎn)品都在低功耗模式和喚醒時(shí)間方面表現(xiàn)出色。在設(shè)計(jì)時(shí)，客戶可以通過使用德州儀器低功耗 MCU 以及高速比較器、高性能定時(shí)器等組件來節(jié)省大量功耗。助力客戶創(chuàng)新，提供更多選擇：TI.com 目前已推出 L、G 系列產(chǎn)品，可覆蓋汽車?yán)锏亩喾N應(yīng)用場景，例如 OBC（車載充電器）、座椅加熱器、電動(dòng)尾門、天窗/智能玻璃的開關(guān)控制、可旋轉(zhuǎn)顯示屏等。此外，德州儀器 還有很多成功應(yīng)用的案例，像 UWB 鑰匙、電動(dòng)腳踏板等酷炫功能的解決方案。Vinay 表示，德州儀器會(huì)持續(xù)地投入和擴(kuò)大在汽車上的 MCU 的選擇，為客戶提供更多的性價(jià)比高、性能強(qiáng)的 MCU 方案，幫助客戶在汽車上實(shí)現(xiàn)更多的智能化和個(gè)性化的功能。他還表示，德州儀器會(huì)繼續(xù)優(yōu)化 MCU，以適應(yīng)低功耗的汽車應(yīng)用的需求，同時(shí)也會(huì)增加 MCU 的模擬信號鏈的集成，提高 MCU 的競爭力和性能。德州儀器車規(guī)級 MCU 產(chǎn)品的發(fā)布，進(jìn)一步推動(dòng)了汽車智能化的發(fā)展，并滿足了車身控制領(lǐng)域?qū)?MCU 不斷增長的需求。這些產(chǎn)品具有通用性、可擴(kuò)展性和低功耗的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于各種汽車應(yīng)用場景。采用便捷工具快速開發(fā)：同時(shí)，德州儀器也提供了一系列開發(fā)工具和圖形化編程界面，如，LaunchPad? 開發(fā)套件，以及參考代碼、庫、圖形化的編程界面等軟件，都能幫助客戶縮短開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。未來，德州儀器將繼續(xù)引領(lǐng) MCU 領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，為汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展開拓更多可能。
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東芝Toshiba推出100V N溝道功率MOSFET“TPH3R10AQM”
近日，東芝宣布推出采用東芝最新一代U-MOS X-H工藝制造而成的100V N溝道功率MOSFET“TPH3R10AQM”。新款產(chǎn)品適用于數(shù)據(jù)中心和通信基站所用的工業(yè)設(shè)備電源線路上的開關(guān)電路和熱插拔電路[1]等應(yīng)用。該產(chǎn)品于今日開始支持批量出貨。TPH3R10AQM具有業(yè)界領(lǐng)先的[2]3.1mΩ最大漏極-源極導(dǎo)通電阻，比東芝目前100V產(chǎn)品“TPH3R70APL”低16%[2]。通過同樣的比較，TPH3R10AQM將安全工作區(qū)擴(kuò)展了76%[3]，使其適合線性模式工作。而且降低導(dǎo)通電阻和擴(kuò)大安全工作區(qū)的線性工作范圍可以減少并聯(lián)連接的數(shù)量。此外，其柵極閾值電壓范圍為2.5V至3.5V，不易因柵極電壓噪聲而發(fā)生故障。新產(chǎn)品采用高度兼容的SOP Advance(N)封裝。未來，東芝將繼續(xù)擴(kuò)展其功率MOSFET產(chǎn)品線，通過減少損耗來提高電源效率，并幫助降低設(shè)備功耗。應(yīng)用- 數(shù)據(jù)中心和通信基站等通信設(shè)備的電源- 開關(guān)電源（高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器等）特性- 具有業(yè)界領(lǐng)先的[2]低導(dǎo)通電阻：RDS(ON)＝3.1mΩ（最大值）（VGS＝10V）- 寬安全工作區(qū)- 高額定結(jié)溫：Tch（最大值）＝175℃主要規(guī)格注：[1] 在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下導(dǎo)通和關(guān)斷系統(tǒng)部件的電路。[2] 截至2023年6月的東芝調(diào)查。[3] 脈沖寬度：tw＝10ms，VDS＝48V
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