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智能电池管理方案的创新和发展趋势

除了RF IC及解决方案之外,Qorvo也提供电源类、连接器和传感器产品。在2024年3月28日的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上,Qorvo BMS专家刘明分享了公司电源品类下BMS芯片的创新技术及最新行业进展。

提及Qorvo公司,业内从业者第一反应可能会是——一家美资射频(RF)解决方案提供商——射频前端是无线通信系统的核心模块,Qorvo的RF芯片在苹果、三星、华为、小米、OPPO、vivo等全球主流手机厂商,以及诺基亚、爱立信等基站设备供应商处有广泛应用。7mlesmc

实际上,除了RF IC及解决方案之外,Qorvo也提供电源类、连接器和传感器产品。在2024年3月28日的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上,Qorvo BMS专家刘明分享了公司电源品类下BMS芯片的创新技术及最新行业进展。7mlesmc

Qorvo电源产品最新行业进展

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“Qorvo是一家美资企业,在全球约有8,500名员工,公司上一财年营收为3.57亿美金,大家可能更熟悉我们的射频产品,在手机、基站都有广泛应用。其实我们在最近几年,一直有投资电源产品。”刘明开门见山介绍了Qorvo的整体发展情况。7mlesmc

Qorvo的产品线主要分三大类:7mlesmc

  • 第一类,连接与传感器(Connectivity & Sensors),主要包括UWB、蓝牙、Matter Wi-Fi、Touch sensor等产品。
  • 第二类是高性能模拟(High Performance Analog),也即使电源产品,主要包括碳化硅、BMS、马达驱动、PMIC等。
  • 第三类是先进蜂窝(Advanced Cellular),该产品线是Qorvo的老本行,主要包括RF相关产品。

在前面,刘明有提到“Qorvo近年来在电源领域进行了投资”。具体来看,Qorvo主要通过并购来拓宽电源产品组合——2019年,通过收购active-semi获得了PMIC、马达驱动、BMS芯片三条产品线;2021年,通过收购SiC功率半导体制造商UnitedSIC,获得了SiC二极管、SiC MOSFET、SiC模组产品线。7mlesmc

除了通过并购企业来拓展电源产品线之外,Qorvo也通过开发硬件仿真软件来提升自己的技术实力。据透露,Qorvo邀请了Linear Technology来帮助自己开发硬件仿真平台QSPICE。Linear Technology是ADI仿真软件LTspice的开发商,2016年该公司被ADI收购。7mlesmc

综上所述,Qorvo在电源产品方面,既通过并购案填补技术空白,也通过自研硬件研发平台增强技术实力。7mlesmc

围绕在电源领域的布局,Qrovo如今拥有四类电源产品,包括PMIC(电源管理芯片)、BMS芯片(电池管理系统芯片)、马达驱动芯片、SiC芯片。7mlesmc

PMIC。目前,市场主流的PMIC应用是SSD/AMOLED/芯片/光模块的供电。刘明介绍说,Qrovo PMIC产品最大的特点是可根据客户实际需求做定制化。“我们PMIC最大的优势是可编程,可配合客户的时序、环路稳定性要求,以及输出电压、输出电流参数等,来进行PMIC的设计。”7mlesmc

BMS芯片。截至目前,Qrovo量产的BMS芯片为PAC22140和PAC25140,这些芯片支持最多由20个电芯串联的电池组。同时,Qrovo也将MCU和AFE(模拟前端) 等元器件封装到了芯片中,使得整颗BMS芯片的集成度很高。7mlesmc

马达驱动芯片。Qrovo马达驱动芯片采用了与BMS芯片一样的封装方案,其马达驱动芯片内部也包括MCU、AFE或预驱芯片。7mlesmc

SiC芯片。导通电阻(RDSon)较低是SiC材料的最大的优势,Qorvo的SiC功率器件主要有两大类:650V/1200V/1700V SiC肖特基二极管产品组合,以及650V/750V/1200V/1700V SiC FET产品组合,这些产品中大多数拥有车规级AEC-Q101认证。今年1月,Qorvo推出了一款D2PAK封装的750V SiC FET,它拥有全球最低的5.4 mΩ的导通阻抗。7mlesmc

Qorvo电源产品新品发布策略

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如果回顾Qorvo过去十余年针对电源产品的新品发布策略,我们可以看到有一条非常明显的发展路径。该公司首先在马达驱动芯片领域完成全线产品的布局,然后再把工作中心转移到BMS芯片上来。7mlesmc

刘明透露说,此前在马达驱动芯片的全线布局,是因为看到了制造商对电机的选择呈现的智能化、精细化、节能化等趋势。随着电机逐渐从AC交流电机、有刷直流电机(Brush DC Motor)切换到无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)。马达驱动系统也经历了从“消耗化石燃料的内燃机,到使用有线电源的AC交流电机,再到采用锂电池供电的电机”的模式。针对这一趋势,Qorvo的马达驱动芯片的主推细分市场应用,涵盖了低端的电钻、角磨机,中高端的两轮车、四轮车、绞机等,电压平台覆盖5V-24V、36V-48V,60V-90V+。7mlesmc

刘明称,Qorvo电源产品依托这些趋势,在芯片中集成更多的Die,为客户提供宽电压支持范围。“我们的电源产品可以简化客户的设计难度,他们无需针对外围电路做额外设计。”7mlesmc

近十年来,Qorvo积累了深厚的开发PAC电机控制器和电池管理解决方案的经验:7mlesmc

  • 2014年,发布第一款马达驱动芯片,该芯片内部集成了1个MCU,1个高压Die(最大支持600V电压),1个预驱芯片;
  • 2015年,拓宽了马达驱动芯片产品线,工作电压覆盖了40V、70V到600V;
  • 2018年,推出了一款160V耐压马达驱动产品,目标市场是电动工具行业;
  • 2018年下半年,马达驱动芯片内置的MCU从Arm Cortex-M0升级到Arm Cortex-M4,MCU主频从50 MHz提升到150MHz,也提升了Flash的大小,升级后的马达驱动芯片支持更高的马达转速;
  • 2021年下半年,完成了对马达驱动芯片产品的全覆盖(40V-600V),此后开始发力BMS芯片。

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2研发方向和6功能

Qorvo的BMS芯片的设计与马达驱动芯片类似,BMS芯片也集成了Arm-Cortex-M0或M4的MCU,内置的AFE芯片单颗芯片支持10-20串电芯,最大耐压达到了145V。刘明强调说,针对电动工具产品如割草机应用,只需1颗马达驱动芯片+1颗BMS芯片,就能满足客户的系统设计需求。7mlesmc

如今,Qorvo BMS芯片产品已经量产两个系列:PAC2214x和PAC2514x,这两系列产品均为采用单芯片方案。两者的区别在于,PAC22140x内置Arm-Cortex-M0 MCU,主频最大支持50MHZ,该MCU的Flash容量为32K;PAC2514x的MCU等级更高,采用了Arm-Cortex-M4 MCU,主频和Flash容量均有提升。7mlesmc

据介绍,Qorvo BMS芯片主要的研发方向有两个:7mlesmc

第一,Qorvo在开发fuel gauging(电量计)算法。“有一些客户希望能在MCU中加入更多的电池参数监控功能,包括预测电池的电量功能,所以我们现在正在将fuel gauging算法集成到芯片内部。”7mlesmc

第二,Qorvo也在做WBMS的方案。“我们可以升级BMS芯片中的MCU,在MCU内部再集成BLE、ZigBee等无线通信模块,我们会做一些私有协议,把有线BMS的设计转化成无线的WBMS。”7mlesmc

“安全”和“运行时间”在电池领域极为关键,大家总希望电池使用更安全,电池运行时间能更长久。基于这两大方向,Qorvo总结出六个相关功能:7mlesmc

  • 一、充放电,有电池的地方就有充电和放电。Qorvo可通过控制负责放电和充电控制逻辑的模块来做相关的控制;
  • 二、短路保护,可以预防一些极端失效情况。BMS芯片采样电阻内部有一个差分运放可检测它的电压,可以与芯片内部设定的短路保护电或者是过流保护点做对比,最后输出保护信号给MCU。
  • 三、充放电的过流保护,可以提前告知大家系统是否存在问题,以便用户及时采取措施;
  • 四、延长使用时间,可以从两方面来实现——一方面,BMS可通过MCU提供的外设资源,来监测电池的电流、电压和温度参数,从而计算出电池的荷电状态;另一方面,通过不停地充放电,计算电池内阻,可得到电池健康状况(State of Health),该参数有助于延长电池的使用寿命;
  • 五、电池均衡(Cell Balancing),由于BMS芯片支持10串-20串电池,经常会出现个别电池过充或过放现象,电池均衡的技术可解决该问题,以避免过充或过放导致的电池故障。刘明指出,BMS芯片内部会额外有ADC,单独用来监测每个Cell的电压,可保证Cell的电压处在正常的工作状态。
  • 六、电池损耗,电池在运输或存储的过程当中会出现损耗,缩小电池的损耗可变相延长电池的使用寿命。Qorvo的BMS还有冬眠模式,在Vpack电压80V的时候,芯片能做到小于三个微安的功耗,唤醒目前支持三种方式:充电唤醒、外部按键唤醒、定时器唤醒(MCU内部设置的定时器)。

最后,刘明用一句话总结说,Qorvo BMS芯片因内部MCU的存在,可以配置保护、电池均衡和Fuel gauging算法,从而能为客户提供非常全面且优秀的BMS产品。7mlesmc

责编:Clover.li
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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