Qorvo业界首款20串单芯片方案背后有何技术细节？

发布时间：2024-04-25 08:47:42 | 作者: 半岛在线登录官网

  提起Qorvo，大部分人对其射频和无线产品更加熟悉，而事实上，通过多年的研发投入和收购，目前Qorvo的电源产品线年，Qorvo通过收购Active-Semi半导体全线的业务，获得了电源管理IC、马达驱动IC以及BMS芯片三条产品线年，通过收购UnitedSiC获得SiC二极管、SiC MOSFET、SiC模组产品线。结合Qorvo原本在 GaN 等化合物半导体的经验和积累，Qorvo 已然成为这两个市场重要的参与者。此外，Qorvo还推出了模拟和混合信号的仿真解决方案QSPICE。

  其中，很值得关注的便是Qorvo的BMS产品，今年3月，Qorvo推出业界首款20电池组智能电池管理单芯片解决方案，这背后有什么技术细节需要我们来关注？

  最早，Qorvo以马达驱动为基本的产品，最近几年传统交流电机和燃油机已经逐步转向BLDC（直流无刷电机）及PMSM（永磁同步电机）等先进电机系统，这种转变使得消费、工业、汽车大面积采取电池组。

  正因慢慢的变多的高性能设备正在转向充电电池供电基于多电池单元、更高电压的应用日益增多。而实现多电池单元监测和平衡，基于MCU控制的智能电池管理系统BMS便是至关重要的一环。

  这便促成了Qorvo在BMS产品上的投入。Qorvo在智能电机控制领域拥有多年的技术积累，而这正是Qorvo能做BMS这样的产品的重要前提。

  2013年，Qorvo推出第一款智能马达控制产品，这款产品以高集成度为主要优势，其内集成的Arm Cortex-M0内核MCU是当时的主要卖点；2015年，Qorvo又把马达驱动产品扩展到了40V、70V和600V电压平台上；2018年，将原有Arm Cortex-M0内核升级至Cortex-M4，用更高的计算能力提供更广泛的需求。

  时间来到，2021年，Qorvo完成全线马达驱动产品布局，即从40V、70V、160V到600V，拥有超过30款产品，这在某种程度上预示着Qorvo对这个行业的Know-How已经很深厚。正因如此， Qorvo第一款BMS产品终于在2023年得以正式发布。

  从上面的历史来看，Qorvo的马达驱动产品也已经从最早的5-24V低压产品逐步向60V、90V甚至更高的电压平台迈进。基于这样的技术，Qorvo目前推出的第一代BMS产品也已能做到145V的耐压。

  事实上，在工程师潜意识里，BMS似乎主要应用在电动汽车内，而实际上，电动工具的市场和应用场景更为广泛，导致其需求比电动汽车市场更高出一个数量级还多。

  研究机构EVTank发布的《中国电动工具行业发展白皮书》数据显示，全球电动工具出货量为4.7亿台，而全球市场规模为521.6亿美元。

  为了针对园艺工具、电动自行车、推车、发电机、储能系统以及其他工业产品等多电池单元应用，Qorvo于今年3月首次推出了20串电池组产品Qorvo PAC22140 和 PAC25140，目前两款芯片已经量产，客户可以随时获得相应的开发资料以及对应的样品和开发板。

  Qorvo资深客户经理张亦弛介绍，Qorvo的BMS芯片拥有三点优势和特色。

  第一，对Qorvo马达驱动和电池管理产品来说，最大的特点就是高集成度，即将M0/M4内核的MCU和高性能AFE合二为一，变成一个单芯片的解决方案，为芯片带来更为智能化、可编程、可配置的能力。具有面向 10s-20s 电池组的单元平衡、监控和保护功能。可为设计人员节省 50% 以上的 PCB 空间，降低 30% 的总 BOM 成本，并缩短产品上市时间。

  第二，Qorvo在AFE设计拥有多年经验，因此AFE集成16bit高精度ADC、电芯平衡电路、高边驱动等各项电池管理模块，能做到高效电池监控和保护的功能。

  第三，通信能力非常强，Qorvo基于Arm MCU提供了SPI、I2C、UART、CAN等总线接口，使得整个BMS芯片不仅可以做电池管理，还可以用做通用控制、数据通信等功能。

  最终，Qorvo便能够实现电池单元平衡、电池充/放电、电池单元监测、短路保护、过流充/放电保护、低功耗休眠六大功能。

  当被问及20串难点时，张亦弛表示，模拟前端会是最大的挑战，毕竟MCU和电池包并不会直接做管理或者通信的功能，都是通过模拟前端进行。

  当客户采用其它厂商的传统方案做20串时，需要进行堆叠式的设计，也就是两颗支持10串AFE堆叠在一起或串联来解决20串的需求，而Qorvo则可以在单芯片上完成这样的方案，难就难在如何在高耐压的同时解决芯片发热和高、低压隔离问题。

  最简单的理解就是每一颗电芯是4.2V的电压，比16串多了四颗电芯的线V电压。

  可以想象一下，在不到指甲盖四分之一大小的晶圆里怎么让145V的电压直接输入到芯片里而不会对它产生破坏。这既是难点，也是Qorvo积累了多年的优势，因为在马达驱动产品里就已经可以做到最高160V耐压的直流输入，所以Qorvo在多串数、高耐压产品的设计上是拥有多年经验和先天优势的。

  当然，串数增多也是一把双刃剑，它会对系统和芯片的安全性、可靠性提出更高的要求，因为越多的电芯就意味着更大的发生燃烧和爆炸的风险。

  张亦弛表示，要避免这样的问题，最关键的一点是能及时、准确地检测到电芯的状态并具有完善的保护功能。基于高精度的ADC和MCU的实时控制，Qorvo可以做到实时的充放电过压、过流、短路检测以及电池均衡等功能，保证电池高效可靠的运行。

  事实上，电动工具市场各有所需，从来没有“万金油”的解决方案，只有不断拓宽产线，才能满足市场参差不齐的需求。而未来，Qorvo主要会围绕两方面推出新产品：一是串数，二是无线功能。

  串数方面，既会增加串数，也会减少串数。张亦弛表示，对于Qorvo当前推出的PAC22140/PAC25140最高可以支持到20串，但是在很多应用里只需要5串、8串、10串或者16串。因此后续产品里会陆续推出从低串数到高串数的完整BMS产品线，客户能根据电芯数量的不同灵活选择我们的产品达到成本的可控。

  工具市场主要分为园林工具和手持工具两大类。园林工具属于大型工具，例如骑乘式设备和手推式设备，一般会用到60V～80V的电池包，因此最高20串的支持是必要的。而且Qorvo目前是从高端的20串起步，后续会把产品扩展到更低串数，来支持手持工具的应用。

  而在后续推出迭代产品里，Qorvo会持续提高单颗芯片最高支持的电芯串数以解决客户在堆叠设计上的难点。

  无线方面，张亦弛则在会议上预告，无线产品是Qorvo传统强项，所以后续产品规划里也布局集成了无线功能的BMS产品。

  关键字：引用地址：Qorvo业界首款20串单芯片方案，背后有何技术细节？上一篇：钠离子电池可几秒钟完成充电

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