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網絡電子系統在汽車和工業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成本。本文將介紹飛利浦半導體公司的SOI技術及其在實現CAN收發器EMC優化方面的重大突破。 基于對更高安全性,例如防抱死(ABS)系統和氣囊；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)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或 ABS 系統有不利影響，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數據總線將電子控制設備集成到汽車及其他領域。該總線的EMC性能通常由網絡節點和傳輸媒介間接口所采用的CAN收發器IC決定。現在，采用創新的“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性能的優化 隔離所有的元器件能極大地降低寄生電容。因此，與傳統工藝相比，SOI技術可以更簡便地實現芯片設計。這是由于傳統工藝的寄生效應只能通過建模來預測，而且實現難度大，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化收發器的抗干擾性及輻射性能，從而開辟了新天地。比較而言，傳統工藝的設計限制意味著在輻射優化和抗干擾優化之間必需要進行妥協。而采用SOI技術，這種雙重妥協就會成為歷史。
圖2是采用飛利浦SOI工藝的TJA1054容錯CAN收發器與采用傳統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收發器中的可用性。與采用傳統技術生產的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工藝第一次實現了避免使用至今仍廣泛采用的電抗線圈。這就節約了元器件成本，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勢。例如，較之傳統的結點絕緣工藝，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網絡(LIN)子總線的從動節點以及故障安全系統基礎芯片等領域。 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。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密集數字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，實現高電流功率布線。合適的器件設計確實能進一步實現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，無需添加微控制器或軟件。它集成了一個LIN 2.0收發器、8個獨立的可配置I/O引腳以及集成的模數轉換器，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技術發揮關鍵作用的另一領域是故障安全系統基礎芯片(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監視器、片上振蕩器及SPI接口集成在一起。基于密集數字功能，狀態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。故障安全性能意味著一旦電子控制單元(ECU)發生故障，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的通信繼續進行。 A-BCD3這種下一代SOI能將系統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器的理想技術。高壓元器件和低泄漏電流相結合能夠實現具有卓越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，還具有密集數字工藝功能，能實現數字功能的高度集成。模擬和數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省空間并降低系統成本。此外，收發器、電壓調節器、監視器、振蕩器及SPI接口等通用ECU功能的巧妙集成能創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點數量的不斷增加，這一功能變得日益重要。因為一個節點發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器的發展路線。這一路線圖將繼續在LIN和CAN中采用獨立的收發器。同時，故障安全系統基礎芯片和集成的LIN I/O從動裝置等集成解決方案有待進一步開發。 |
