智能电池管理方案的创新和发展趋势

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。Cnkesmc

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。Cnkesmc

Qorvo电源产品最新行业进展

Cnkesmc

“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。Cnkesmc

Qorvo的产品线主要分三大类：Cnkesmc

• 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。Cnkesmc

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。Cnkesmc

 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。Cnkesmc

围绕在电源领域的布局，Qorvo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。Cnkesmc

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，Qorvo 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。”Cnkesmc

BMS芯片。截至目前，Qorvo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，Qorvo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。Cnkesmc

马达驱动芯片。Qorvo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。Cnkesmc

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。Cnkesmc

Qorvo电源产品的新品发布策略

Cnkesmc

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。Cnkesmc

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+。Cnkesmc

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。”Cnkesmc

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：Cnkesmc

• 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。

Cnkesmc

2大研发方向和6个功能

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。Cnkesmc

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。Cnkesmc

据介绍，Qorvo BMS芯片主要的研发方向有两个：Cnkesmc

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。”Cnkesmc

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。”Cnkesmc

“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：Cnkesmc

• 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。Cnkesmc