汽车芯片标准体系建设指南
发布时间: 2024-03-21 09:00:36 浏览数:
《汽车芯片标准体系建设指南》技术解读与功率芯片测量概览
一．《汽车芯片标准体系建设指南》概览
《指南》根据汽车芯片技术现状、产业应用需要及未来发展趋势，提出到2025年，制定30项以上汽车芯片重点标准，明确环境及可靠性、电磁兼容、功能安全及信息安全等基础性要求，制定控制、计算、存储、功率及通信芯片等重点产品与应用技术规范，形成整车及关键系统匹配试验方法，满足汽车芯片产品安全、可靠应用和试点示范的基本需要；到2030年，制定70项以上汽车芯片相关标准，进一步完善基础通用、产品与技术应用及匹配试验的通用性要求，实现对于前瞻性、融合性汽车芯片技术与产品研发的有效支撑，基本完成对汽车芯片典型应用场景及其试验方法的全覆盖，满足构建安全、开放和可持续汽车芯片产业生态的需要。下图是汽车芯片标准体系框图，其中包括了各个工作组职能。
图：汽车芯片标准体系框图，摘录自《指南》
二．汽车芯片类型与功能概述
产品与技术应用类标准规范在汽车上应用的各类芯片所应符合的技术要求及试验方法。此类标准涵盖控制芯片、计算芯片、传感芯片、通信芯片、存储芯片、安全芯片、功率芯片、驱动芯片、电源管理芯片和其他类芯片 10 个类别，如下示意图：
• 控制芯片标准：规范汽车上各类控制器、动力系统、底盘系统等控制芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括通用要求和动力系统、底盘系统控制芯片等。
• 计算芯片标准：规范汽车用于人机交互、智能座舱、视觉融合处理、智能规划、决策控制等领域执行复杂逻辑运算和 大量数据处理任务的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括智能座舱和智能驾驶计算芯片等。
• 通信芯片标准：规范汽车用于内部设备之间及汽车与外界其他设备进行信息交互和处理的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括车载无线通信和车内通信芯片等。其中，将优先制定蜂窝通信、直连通信、卫星定位、蓝牙、专用无线短距传输、WLAN、UWB、NFC、ETC等车载。
• 无线通信芯片：以及 LIN、CAN、以太网PHY、以太网交换机、中央网关、串行器和解串器、音视频总线等车内通信芯片相关标准。
• 存储芯片标准：规范汽车用于数据存储的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括易失性和非易失性存储器芯片。其中，将优先推进 DRAM、SRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、EEPROM 等芯片标准制定。
• 安全芯片标准：规范汽车用于提供信息安全服务的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向为汽车安全芯片产品标准等。
• 功率芯片标准：规范汽车用于处理高电压、大电流工况的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括电动汽车用 IGBT模块、功率模块、功率分立器件等。
• 驱动芯片标准：规范汽车用于驱动各系统主芯片、电路或部件进行工作的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括驱动芯片、功率驱动芯片、显示驱动芯片等。
• 电源管理芯片标准：规范汽车用于内部电路电能转换、配电、检测、电源信号（电流、电压）整形及处理的芯片技术要求及试验方法。标准重点建设方向包括电源管理芯片、模 拟前端芯片、数字隔离器芯片等。
• 其他类芯片标准：规范不属于上述各类的汽车芯片技术要求及试验方法。一般为暂无明确分类的新技术、新产品。
三．汽车芯片测试面临的挑战
标准的建立，有助于帮助OEM，Tier 1 及测试机构有统一的方案来验证整车及零部件的性能及可靠性测试。在实际测试过程中，汽车芯片测试面临许多挑战，特别是在当前全球芯片短缺的背景下，包括：
复杂性：现代汽车芯片集成了许多功能，如处理器、传感器、通信模块等。测试这些复杂的集成电路需要高度专业的知识和技能。
可靠性：汽车芯片必须在极端条件下运行，如高温、低温、湿度和振动。因此，测试必须确保芯片在各种环境下都能可靠地工作。
安全性：汽车芯片的安全性至关重要，因为它们控制着许多关键系统，如制动、驾驶辅助和通信。测试必须检测潜在的安全漏洞和风险。
时间压力：汽车制造商通常需要大量芯片，以满足市场需求。测试必须在紧迫的时间表下完成，以确保芯片的及时交付。
成本：测试设备和人力资源的成本可能很高。汽车制造商需要在保持质量的同时控制测试成本。
总之，汽车芯片测试需要高度专业的技术、严格的质量控制和灵活的方法，以应对不断变化的需求和挑战。
四．功率芯片测试概览
功率芯片是专门设计用来管理和调节高电压和大电流的半导体设备，它们能够在电力转换、能源管理和动力系统中实现高效率和高性能的要求。在新能源汽车中，功率芯片用于电池管理系统（BMS）、逆变器、充电设备和驱动电机控制器等关键部件，确保电能有效转换和传输，提升车辆的行驶里程和性能；而汽车智能化对功率芯片的需求则主要体现在其高级驾驶辅助系统（ADAS）、车载信息娱乐系统、车载网络以及自动驾驶技术中，这些系统需要功率芯片提供稳定、可靠的电力支持，以保证数据处理和通信的高效率。
功率芯片正在向更高的功率密度、更低的能耗、更高的可靠性和更长的寿命方向发展。采用先进材料（如碳化硅SiC和氮化镓GaN）的功率芯片，因其在高温、高压和高频条件下的卓越性能，正成为新能源和智能汽车领域的首选。而随着SiC/GaN技术的普及，怎么选择更适合产品设计的功率器件，如何分析功率器件的不良原因等都是新能源行业从业者最为关心的问题，对功率芯片的测试，主要涉及包括功率器件建模，功率器件电路仿真，功率器件静态参数测试，功率器件动态参数测试等，下面分别做一个介绍：
1.功率器件建模
现在大多数功率器件都是基于Level 3 MOS管的模型，加上许多非线性方程式结合而成。这需要对功率器件及建模有充分的认识才能实现。实际建模的过程，可以基于PD1000A测量到的静动态参数，S参数直接进行建模，自动产生对应的模型。
2.功率器件电路仿真
功率器件的电路仿真可以基于ADS仿真平台，在这平台上直接进行前仿真(pre-layout simulation)及后仿真(post-layout simulation)。在前仿的部分可直接使用PEMG抽取的模型参数，搭配内建的行为级模型，例如PWM产生器、运算放大器(OPAMP)、非线性磁性元件，建立关键电路原理图。接着在同一平台上，可以直接进行版图的设计，并抽取版图的寄生电路，直接导回原理图仿真，完成后仿真。在这整合的设计环境下，使用者可以实现精细化仿真，使用仿真精确的预估电路的特性，一次完成最终设计，就能达到设计指标。另外，ADS仿真平台还提供一键生成EMI测试电路，使用者可以在ADS上完成EMI的仿真，优化EMI的设计，以符合EMC的指标。
3.功率器件静态参数测试
静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，主要包括：门极开启电压、门极击穿电压，集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流、寄生电容（输入电容、转移电容、输出电容），以及以上参数的相关特性曲线的测试。
碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN)等全新宽带隙材料能够支持大电压和高切换速度。在高电压直流偏置条件下 (高达 3 kV)，高击穿电压 (达 10 kV)、大电流 (数千安培)、栅极电荷以及连接电容表征和器件温度特征和 GaN器件电流崩溃效应测量功能十分必要，是推动新器件尽快上市的重要保证，静态参数测试的器件类型和项目主要包括：
以上静态参数测试，可以用B1505A和B1506A两套方案来完成。其中B1506A支持宽泛的电流和电压工作范围（1500 A，3 kV），并且支持全自动测试，可以完成功率器件IV、CV和Qg全参数测试，最终输出产品Datasheet报告。
图：B1506A功率器件分析仪/曲线追踪仪
一个典型的Datasheet测试报告如下所示，包括IV参数（击穿电压、漏电、开启特性），CV参数（Rg、输入、输出和反向传输电容）和栅极电荷Qg。
4.功率器件动态参数测试
随着开关频率的不断增加，功率器件/芯片的开关损耗超过静态损耗成为主要功耗来源，动态参数也成为评估器件性能的重要参数。相对于器件的静态参数，动态参数主要表征的是器件在开启或关断瞬间的电学特性参数，其主要是寄生电阻和寄生电容在动态应用中，会引起充、放电过程，给电路实际工作带来一些限制同时也决定的器件的开关性能。
JEDEC委员会致力于WBG（宽禁带）器件特性测试标准化，DPT（双脉冲测试）技术已经成为确定功率半导体动态参数的标准，主要测试参数包括：
| 测试项目 | 参数 & 测试描述 & 测试标准 |
| 开启特性 |
参数：td(on), tr, ton, e(on),dv/dt, di/dt |
| 测试描述：表征器件的开启速度，最大的dv/dt和 di/dt，已经对应的损耗，这些参数用来表征器件的开启损耗 | |
| 测试标准： FET – IEC 60747-9 IGBT - 60747-8 |
|
| 关断特性 |
参数：td(off), tf, toff, e(off),dv/dt, di/dt |
| 测试描述：表征器件的关断速度，最大的dv/dt和 di/dt，以及对应的损耗，这些参数用来表征器件的关断损耗 | |
| 测试标准： FET – IEC 60747-9 IGBT - 60747-8 |
|
| 开关特性 |
参数：Id vs t, Vds, vs t,Vgs vs t, Ig vs t ,e vs t, Id vs Vds |
| 测试描述： 时间相关的参数（Id，Vds，Vgs，Ig，钳位Vds，e）为示波器直接测试出的波形；Id vs Vds 通过示波器波形分析出 |
|
| 反向恢复 |
参数：trr, Qrr, Err, Irr,Id vs. t |
| 测试描述：表征器件本体二极管的反向恢复特性，同时提供额外的时间信息来表征器件开和关的切换时间有多快 | |
| 测试标准： IEC 60747-8 |
| 栅极驱动 |
参数：Vg vs. Qg,(Qgs(th), Qgs(pl), Qgd) |
| 测试描述：通过双脉冲测试测量驱动电压和电流，在不同的驱动电压下测量驱动电荷，这些参数用来表征器件的驱动损耗。 | |
| 测试标准： IEC 60747-8 IEC 60474-9 |
|
| 输出特性 |
参数：Id vs. Vg, Id vs. Vd |
| 测试描述：提供功率器件的基本转换特性曲线。 |
对功率器件/芯片的DPT测试，主要采用PD1500A；而对于需要更高功率的模组，则可以采用PD1550A，如下图：
图：PD1500A动态功率器件分析仪/双脉冲测试仪，用于功率芯片测试
图：PD1550A动态功率器件分析仪/双脉冲测试仪，用于功率芯片与模组测试