SOI的CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)EMC優(yōu)化重大突破

網(wǎng)絡(luò)電子系統(tǒng)在汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中日益得到廣泛部署，飛利浦采用獨(dú)特的新型絕緣體上硅芯片(SOI)技術(shù)推出的控制域網(wǎng)絡(luò)(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(dǎo)體公司的SOI技術(shù)及其在實(shí)現(xiàn)CAN收發(fā)器EMC優(yōu)化方面的重大突破。

基于對(duì)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(dòng)換檔；以及更高的舒適度(如采用自動(dòng)空調(diào)和座椅調(diào)節(jié))需求的增長(zhǎng)，汽車(chē)中集成了更多的電子控制器件，而且這一趨勢(shì)愈演愈烈。

在各種工業(yè)應(yīng)用中，電子控制電路的復(fù)雜性也提出了日益嚴(yán)格的要求，這使得EMC這種一個(gè)電子設(shè)備的運(yùn)行對(duì)另一個(gè)設(shè)備功能的影響變得至關(guān)重要。

圖1：SOI晶圓的橫截面。

EMC 性能欠佳會(huì)導(dǎo)致干擾，嚴(yán)重的話(huà)將影響設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，對(duì)汽車(chē)而言，如果運(yùn)行開(kāi)窗機(jī)械裝置產(chǎn)生干擾，將會(huì)影響無(wú)線(xiàn)電的接收，對(duì)購(gòu)買(mǎi)者而言這無(wú)疑是惱人的質(zhì)量問(wèn)題。而如果開(kāi)窗/關(guān)窗對(duì)安全氣囊系統(tǒng)或 ABS 系統(tǒng)有不利影響，肯定會(huì)被視為一種嚴(yán)重的安全隱患。因此，時(shí)至今日，諸如屏蔽電纜和附加電抗線(xiàn)圈之類(lèi)昂貴的保護(hù)措施仍顯得很有必要。

如今，越來(lái)越多的廠(chǎng)商通過(guò)CAN數(shù)據(jù)總線(xiàn)將電子控制設(shè)備集成到汽車(chē)及其他領(lǐng)域。該總線(xiàn)的EMC性能通常由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和傳輸媒介間接口所采用的CAN收發(fā)器IC決定?，F(xiàn)在，采用創(chuàng)新的“A-BCD”SOI技術(shù)，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(lǐng)SOI智能功率BCD技術(shù)潮流，目前在該領(lǐng)域已推出超過(guò)5億個(gè)產(chǎn)品，大多面向汽車(chē)應(yīng)用?！癆-BCD”技術(shù)在一顆芯片上集成了雙極、CMOS和高壓DMOS晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)?！癝OI”是“絕緣體上硅芯片”的縮略語(yǔ)，充分表達(dá)了該半導(dǎo)體工藝的獨(dú)特性能：與傳統(tǒng)技術(shù)不同，這種工藝是在硅基板和實(shí)際有效硅層之間放一個(gè)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。

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(shù)可以更簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)。這是由于傳統(tǒng)工藝的寄生效應(yīng)只能通過(guò)建模來(lái)預(yù)測(cè)，而且實(shí)現(xiàn)難度大，因而不得不采用耗時(shí)的、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)工藝。

最為重要的是，這是有史以來(lái)的第一次，采用SOI工藝，IC設(shè)計(jì)者可以同時(shí)獨(dú)立地優(yōu)化收發(fā)器的抗干擾性及輻射性能，從而開(kāi)辟了新天地。比較而言，傳統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)限制意味著在輻射優(yōu)化和抗干擾優(yōu)化之間必需要進(jìn)行妥協(xié)。而采用SOI技術(shù)，這種雙重妥協(xié)就會(huì)成為歷史。

圖2：容錯(cuò)低速CAN收發(fā)器TJA1054(SOI)和TJA1053的輻射對(duì)比。

圖2是采用飛利浦SOI工藝的TJA1054容錯(cuò)CAN收發(fā)器與采用傳統(tǒng)BCD工藝制造的前代TJA1053的輻射對(duì)比。在抗干擾的同時(shí)，輻射平均減少了20 dB以上。這在EMC性能方面堪稱(chēng)“石破天驚”的改變，即使在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中也無(wú)需屏蔽電纜，因而有效地節(jié)約了成本。

飛利浦通過(guò)其TJA1050成功驗(yàn)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(shù)生產(chǎn)的PCA82C250產(chǎn)品相比，極大地降低了輻射，甚至可能同時(shí)大幅提高抗干擾性。TJA1040、TJA1041和TJA1041A進(jìn)一步擴(kuò)展了采用SOI技術(shù)的高速CAN系列產(chǎn)品，提供低功率模式和附加特性。

基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SOI工藝第一次實(shí)現(xiàn)了避免使用至今仍廣泛采用的電抗線(xiàn)圈。這就節(jié)約了元器件成本，簡(jiǎn)化了電路板裝配，并提高了控制電子元器件的機(jī)械負(fù)載能力。

SOI和A-BCD3技術(shù)前景無(wú)限

除了卓越的EMC性能和簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)外，SOI工藝還擁有諸多其他的顯著優(yōu)勢(shì)。例如，較之傳統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化工藝，縮短上市時(shí)間，降低成本。此外，SOI工藝能提供固有的、強(qiáng)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(hào)模擬及密集的CMOS有源器件直接集成在單個(gè)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(xiàn)收發(fā)器、電源和邏輯的理想選擇，這種技術(shù)將日益得到廣泛部署，例如在汽車(chē)的局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)子總線(xiàn)的從動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及故障安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片等領(lǐng)域。

為了支持下一代SoC應(yīng)用，飛利浦目前正在力推其第三代A-BCD3 SOI技術(shù)。這種通用0.6微米SOI BCD技術(shù)包含單個(gè)多晶硅柵層及3個(gè)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(gè)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(jié)點(diǎn)絕緣工藝相比，在所有器件間都進(jìn)行小溝道隔離能將小信號(hào)模擬電路的面積縮小50%。

A-BCD3工藝包含諸多有源/無(wú)源器件，包括：5V CMOS、同類(lèi)產(chǎn)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(jié)點(diǎn)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(chǔ)器、用于進(jìn)行修改和識(shí)別的非易失性EEPROM存儲(chǔ)器及中型程序存儲(chǔ)器。

該工藝有兩種金屬化方法可供選擇，其一是采用一個(gè)能實(shí)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(duì)功率器件總電阻的影響降至最小，實(shí)現(xiàn)高電流功率布線(xiàn)。合適的器件設(shè)計(jì)確實(shí)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在有源器件上的布線(xiàn)，顯著削減布線(xiàn)費(fèi)用。SOI技術(shù)及金屬層下面的鈦氮化合物隔離層能夠支持溫度高達(dá)200°C的汽車(chē)應(yīng)用。

飛利浦半導(dǎo)體正在推出的LIN I/O從動(dòng)器件UJA1023就具備了基于A-BCD3技術(shù)的SoC性能。這是一個(gè)自主的LIN從動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)需添加微控制器或軟件。它集成了一個(gè)LIN 2.0收發(fā)器、8個(gè)獨(dú)立的可配置I/O引腳以及集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并可通過(guò)LIN總線(xiàn)進(jìn)行編程。由于采用了A-BCD3技術(shù)，LIN I/O從動(dòng)裝置可直接由電源供電。

A-BCD3技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵作用的另一領(lǐng)域是故障安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)系列產(chǎn)品UJA106x。該系列將LIN、高速CAN及容錯(cuò)CAN等各種物理層與電壓調(diào)節(jié)監(jiān)視器、片上振蕩器及SPI接口集成在一起?；诿芗瘮?shù)字功能，狀態(tài)機(jī)可與每個(gè)故障安全SBC集成在一起，以設(shè)計(jì)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(huì)將ECU置于最低功耗模式，以防止耗盡電池電量。此外，產(chǎn)生故障的ECU將不再與總線(xiàn)進(jìn)行通信，以保證總線(xiàn)和其他ECU的通信繼續(xù)進(jìn)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。

結(jié)論

飛利浦半導(dǎo)體的SOI技術(shù)已被證實(shí)是用于汽車(chē)車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的理想技術(shù)。高壓元器件和低泄漏電流相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)具有卓越EMC性能的耐用設(shè)計(jì)。正是這些高壓元器件使得設(shè)計(jì)出的收發(fā)器既能用12V電池驅(qū)動(dòng)，也能在24V及42V電壓下運(yùn)作。因此，模塊的設(shè)計(jì)適用于卡車(chē)和客車(chē)，而42V電壓驅(qū)動(dòng)被期望用于諸如電子控制懸架等高功耗應(yīng)用。

A-BCD技術(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)字功能的高度集成。模擬和數(shù)字功能的結(jié)合為未來(lái)提供了新的可能。EUC設(shè)計(jì)的進(jìn)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(diào)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(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。隨著未來(lái)汽車(chē)車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，這一功能變得日益重要。因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障就會(huì)阻礙總線(xiàn)通信，而且停車(chē)時(shí)電池電量也會(huì)很快耗完。

諸如故障安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片和LIN I/O從動(dòng)裝置等最初的集成步驟已經(jīng)完成。這當(dāng)然不是最終的集成，事實(shí)上只是邁向未來(lái)的初級(jí)階段，而且這將決定車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的發(fā)展路線(xiàn)。這一路線(xiàn)圖將繼續(xù)在LIN和CAN中采用獨(dú)立的收發(fā)器。同時(shí)，故障安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片和集成的LIN I/O從動(dòng)裝置等集成解決方案有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。