高邊開關(guān)正在被汽車電動化帶火，國產(chǎn)要想彎道超車得認(rèn)準(zhǔn)這點

過去幾年，新能源汽車大潮正在席卷全球，這給汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了新一輪的革命。德勤在一份報告中也直接指出，隨著汽車電動化和自動駕駛技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，汽車半導(dǎo)體變得越來越重要。而且，與過去相比，本輪的汽車半導(dǎo)體需求具備多方面的不同特征：

首先，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，新能源汽車使用的芯片越來越多。數(shù)據(jù)顯示，到2022年，新能源汽車的平均芯片數(shù)量將達(dá)到1459顆左右，進(jìn)一步超過傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上安裝的芯片數(shù)量。

其次，在電池管理系統(tǒng)和電動動力總成中使用的電子元件（例如逆變器、動力總成域控制器DCU、各種傳感器等）的推動下，到2025年，汽車電子元件BOM（物料清單）價值將大幅增長；

第三，由于車輛中ECU和傳感器的數(shù)量增加，車輛線束的成本和布線難度急劇增加。有必要重塑汽車電子電氣硬件架構(gòu)，從傳統(tǒng)的分布式模式轉(zhuǎn)向更加“集中、輕量化、精簡、可擴(kuò)展”的模式。

在這些變革背后，有一顆模擬芯片正在受到廣泛的關(guān)注，那就是高邊驅(qū)動芯片。


高邊驅(qū)動芯片，需求大增

過去幾年的芯片產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一個過山車周期——從疫情開始的冰凍，到中期的急速上漲，再到近一年來的斷崖式下滑。這種大起大落除了給消費電子供應(yīng)商帶來了災(zāi)難式的周期，就連一直被看作能夠穿越周期的工業(yè)和汽車也都開始受到了影響。不過，這在高邊驅(qū)動芯片方面的影響似乎沒那么大。有從業(yè)者告訴筆者，歐美廠商的高邊驅(qū)動芯片依然火熱。

相關(guān)統(tǒng)計顯示，當(dāng)前平均一輛車上高邊驅(qū)動產(chǎn)品的通道數(shù)大概在80~120個通道，那就意味著一輛車?yán)锏母哌咈?qū)動產(chǎn)品，大概占整個汽車芯片數(shù)量份額的15%左右。那么這究竟是怎樣的一個產(chǎn)品？那就得先從高邊驅(qū)動說起。

眾所周知，在傳統(tǒng)的汽車上有很多燈/邊/閥/泵/電扇/各種風(fēng)機。有需要的時候，你需要打開相應(yīng)的開關(guān)。在不用的時候則需要把它關(guān)掉，達(dá)到節(jié)省能耗的作用。然而，在開關(guān)的時候，你還需要考慮到后面負(fù)載的情況，因為它的過流、過壓都需要進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。在過去，大家都是使用傳統(tǒng)方式來執(zhí)行此類功能，最常見的做法是使用繼電器進(jìn)行開關(guān)，然后搭配Fuse進(jìn)行保護(hù)。這是在過去汽車的配電系統(tǒng)或在負(fù)載的電源開關(guān)里常見的組合。

不過，正如上海類比半導(dǎo)體技術(shù)有限公司市場總監(jiān)范天偉先生所說，這樣的設(shè)計會帶來很多問題。例如只能做簡單的保護(hù)、可靠性不足、不夠靈活、功耗較高、重量較重以及產(chǎn)生大量的EMC。

“高邊開關(guān)能完美解決這些問題。”范天偉說。

據(jù)介紹，汽車中能用到高邊開關(guān)的主要場景涵蓋了燈、閥、加熱器、配電和鎖扣等應(yīng)用。隨著汽車從傳統(tǒng)汽車往新能源汽車演變，應(yīng)用到汽車的高邊驅(qū)動通道也從35提高到75，增加幅度超過100%。范天偉預(yù)估，如果按照單顆單邊開關(guān)售價1.2元算，高邊開關(guān)國內(nèi)去年市場潛在體量在14~15億元, 可觸達(dá)的市場為6.5億元。。他同時指出，當(dāng)前的高邊開關(guān)滲透率只有46%。而且，隨著新能源汽車的發(fā)展，通道數(shù)量還在增加，可以預(yù)見的是，高邊開關(guān)市場容量未來會進(jìn)一步擴(kuò)大。


駕乘體驗推動高邊開關(guān)需求激增，帶動車身控制設(shè)計變革

隨著整車智能化程度的不斷提升，機械控制電子化的程度不斷提升。同時，隨著智能駕駛等級的提升，越來越多的智能開關(guān)類芯片大量應(yīng)用于智能汽車。以特斯拉Model3為例，僅前車身域控制器就配置了21顆高邊驅(qū)動芯片，整車用量超過35顆。

類比半導(dǎo)體市場總監(jiān)范天偉在接受集微網(wǎng)采訪時指出，在傳統(tǒng)車身控制中所使用的繼電器方案，正隨著汽車線控化、電子化迅速轉(zhuǎn)向集成電路式高邊開關(guān)，它是位于電源和負(fù)載之間的開關(guān)，可用于車身控制域中的各種阻性、感性及容性負(fù)載的驅(qū)動，在車內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛，包括車內(nèi)飾燈、頭尾燈、座椅和方向盤及后視鏡加熱、電磁閥、門鎖、電機等。

范天偉指出，高邊開關(guān)市場需求正受到汽車架構(gòu)設(shè)計的變化而推動。

首先是汽車中各類自動化功能迅速增加，負(fù)載點的增加推動了對高邊開關(guān)的需求增長。比如汽車線控化，汽車天窗、尾門、座椅、前后大燈等都可以用線控控制，自動化程度提升使得電控執(zhí)行單元增加，推動了對高邊開關(guān)的需求；汽車照明場景增加，除了傳統(tǒng)的前后尾燈外，汽車照明數(shù)量越來越多，包括車內(nèi)各種指示燈、氛圍燈、內(nèi)飾燈、儀表盤背光燈等等，通道數(shù)量增加使得高邊開關(guān)需求同步增加；司乘人員對駕乘舒適度的需求，導(dǎo)致加熱座椅、加熱方向盤等加熱功能增加，熱管理越來越復(fù)雜，分門的控制數(shù)量越來越多，這些因素均提高了高邊開關(guān)的需求。

其次是高邊開關(guān)正在逐漸替代傳統(tǒng)的保險絲、繼電器等方案。后者雖然設(shè)計簡單，成本便宜，但是隨著汽車功能安全、可靠性要求越來越高，對PCB板面積、車身重量考量也越來越重視，高邊開關(guān)作為芯片，在可集成更多功能、可靠性、開關(guān)次數(shù)、壽命以及輕量化等方面表現(xiàn)都遠(yuǎn)比繼電器優(yōu)異，正迅速替換繼電器等傳統(tǒng)方案。

“目前平均每輛傳統(tǒng)燃油車中對高邊開關(guān)的需求為40~60個通道，新能源車中達(dá)到80~120個，如果按今年國內(nèi)預(yù)計汽車產(chǎn)量2800萬輛來估算，預(yù)計在2025年國內(nèi)高邊開關(guān)市場規(guī)模可達(dá)到25~35億元人民幣，隨著新能源汽車滲透率不斷提升，在其市場占比達(dá)到峰值前，高邊開關(guān)市場仍將高速增長。”他表示。

值得注意的是，隨著高邊開關(guān)越來越多地應(yīng)用于車身控制，相比傳統(tǒng)的保險絲、繼電器方案，這一轉(zhuǎn)變對相應(yīng)的汽車架構(gòu)設(shè)計也帶來了變化。

范天偉解釋，第一，無論是傳統(tǒng)的繼電器，還是如今的高邊開關(guān)，都是用于負(fù)載驅(qū)動，這就帶來多重的電路保護(hù)功能需求，比如過流、過溫以及過熱關(guān)斷保護(hù)等等。以往繼電器是沒有保護(hù)功能的，因此需要搭配很多外圍電路來實現(xiàn)保護(hù)功能，比如過、欠壓，過流保護(hù)等，這些外圍電路加上繼電器本身，無形中增加了成本、PCB面積和重量。使用高邊開關(guān)將輕松解決這些問題，帶來多重利益，可取代現(xiàn)有系統(tǒng)的多個組件，譬如繼電器、熔絲、繼電器驅(qū)動電路、電纜和連接器等。這使其可以安裝在車內(nèi)其他位置，助力實現(xiàn)新一代輕量化的分布式整車配電架構(gòu)。

第二，繼電器也不具備診斷功能。隨著汽車電子化演進(jìn)，對ISO 26262的功能安全等級要求越來越高，包括底盤域、三單系統(tǒng)等都有功能安全要求，其中一個關(guān)鍵要求就是具備診斷功能，需要能夠?qū)崟r讀取當(dāng)前負(fù)載的電壓、電流、溫度等信號，并傳輸至主MCU中進(jìn)行診斷判斷。當(dāng)汽車出現(xiàn)故障時，需要實時地反饋是哪個部分出現(xiàn)了問題。繼電器本身是一個被動器件，不帶任何診斷功能，需要額外搭配復(fù)雜的電路設(shè)計來實現(xiàn)；相反診斷是高邊開關(guān)的主要功能之一，可在很大程度上簡化PCB設(shè)計。

第三，高邊開關(guān)作為硅半導(dǎo)體，其開關(guān)次數(shù)幾乎是沒有限制的，可靠性顯著高于繼電器。同時，對于感性、容性、阻性等不同屬性的負(fù)載，針對不同特性的負(fù)載需要選擇不同的繼電器，而高邊開關(guān)可根據(jù)不同的負(fù)載應(yīng)用靈活設(shè)定開關(guān)屬性。此外，繼電器在開關(guān)導(dǎo)通時，會產(chǎn)生電火花等高能量進(jìn)而導(dǎo)致非常高的EMI，這會使得產(chǎn)品在車廠認(rèn)證時很容易出現(xiàn)問題，高邊開關(guān)則可以很好的解決EMI問題。


高邊開關(guān)成新藍(lán)海，大電流型號亟待國產(chǎn)化

不難發(fā)現(xiàn)，高邊開關(guān)雖然是很小的一個器件，但是在汽車電路設(shè)計中扮演著日益重要的角色。然而，目前高邊開關(guān)國產(chǎn)化率仍然很低，市場主要被ST、英飛凌等歐美品牌所主導(dǎo)，尤其是大電流高邊開關(guān)更是長期處于無國產(chǎn)替代局面，近幾年雖然成長起來一些國產(chǎn)高邊開關(guān)產(chǎn)品，但大多聚焦在小電流型號，在多通道、大電流產(chǎn)品方面仍然稀缺。

“因此對于國產(chǎn)半導(dǎo)體來說，無論是在新能源車高速發(fā)展的增量市場還是在目前以歐美半導(dǎo)體主導(dǎo)的存量市場，未來的增長空間都很大。”范天偉告訴集微網(wǎng)。

在中國汽車制造商加速“出海”并在全球引領(lǐng)汽車電動化浪潮之際，類比半導(dǎo)體積極布局汽車電子芯片，依托于自身深厚的技術(shù)創(chuàng)新能力和對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格把控，目前已量產(chǎn)車規(guī)級直流有刷電機驅(qū)動器DR702/3Q、車規(guī)級模數(shù)轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品，產(chǎn)品已向眾多主機廠商和Tier1客戶批量供貨，并實際應(yīng)用在EPB、電門模塊、電動尾門、天窗以及電動座椅等場景中。

從范天偉的介紹我們得知，現(xiàn)在國內(nèi)廠商都已經(jīng)看到了高邊市場，并已經(jīng)投身其中，當(dāng)中有幾家甚至都已經(jīng)開始推出他們相應(yīng)的高邊產(chǎn)品了。不過，他們大部分推出的都是高Rdson的小電流產(chǎn)品，圍繞著80毫歐以上的范圍，推出4通道、2通道甚至是1通道的產(chǎn)品。這些開關(guān)通常會用在一些小燈的開關(guān)、小電源的配電里。

“他們的產(chǎn)品相對還比較零散，是一個產(chǎn)品、一個產(chǎn)品的，沒有形成一個面。”范天偉接著說。“類比半導(dǎo)體推出了覆蓋大電流、小電流和多種通道的高邊開關(guān)產(chǎn)品，是國內(nèi)迄今為止高邊驅(qū)動產(chǎn)品覆蓋率比較高的公司。”范天偉強調(diào)。據(jù)他所說，雖然類比半導(dǎo)體目前的產(chǎn)品沒有ST和英飛凌多，但基本可以覆蓋他們60%~70%的產(chǎn)品。

范天偉表示，高邊開關(guān)其實并不是非常新的產(chǎn)品，因為英飛凌早在十年前就涉足了相關(guān)領(lǐng)域。因此，對于國產(chǎn)廠商而言，如果想要在這個市場突圍，就首先必須要了解到這個產(chǎn)品未來的發(fā)展方向，才有希望實現(xiàn)彎道超車。