揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

发布时间:2024-07-24 11:29
作者:AMEYA360
来源:网络
阅读量:959

  磁传感器是传感器中重要的品类,是电流传感、接近传感、线性位置检测、转动速率检测、旋转位置检测等传感器主要实现方式之一,在汽车、工业、能源和消费电子等领域有着广泛的应用。根据贝哲斯咨询的统计数据,2022年全球磁传感器市场规模为224.25亿元(人民币),预计到2028年将达到463.32亿元,2023-2028期间的年均复合增长率(CAGR)高达12.83%。

       过往,人们提到磁传感器,主要讨论的都是几家国际厂商。随着终端市场对磁传感器需求爆发,国产磁传感器厂商紧抓这波机遇,目前已经初见规模。根据纳芯微最新发布的2023年业绩报告,其传感器产品营收实现逆势增长,2023年实现营业收入16575.26万元,同比增长49.18%。纳芯微磁传感器技术市场经理谢奔在和记者交流时表示,“当前纳芯微磁传感器产品出货量已经超过1亿颗,汽车和工业等领域的一些头部厂商都已经是我们的客户。”

       出货超1亿颗是一个门槛,也是一个契机,那么纳芯微是如何完成这一成绩的?有哪些引领市场的核心技术?在这篇文章中将给出答案。

  磁传感器技术、产品和市场概述

  磁传感器基于电磁感应原理,对位置、速度、电流等变量进行检测。如果按照技术原理来分,磁传感器主要分为霍尔(Hall)传感器和磁阻传感器两大类,其中磁阻传感器又可以继续细分为AMR(各向异性磁阻)、GMR(巨磁阻)、TMR(隧道磁阻)三大类。

       霍尔传感器利用霍尔效应对磁场进行检测,是目前磁传感器中最大的门类。主要原因在于,霍尔传感器发展历史悠久、技术成熟,且可以用硅基工艺制造。谢奔从产品设计的角度谈道:“在磁传感器领域,霍尔传感器出现时间最早,在产品设计方面就会有两大明显的优势:其一是应用于霍尔传感器的成熟IP比较多;其二是硅基工艺让霍尔传感器更加有益于产品集成。”按照Yole的统计数据,以出货量口径计算,霍尔传感器在磁传感器中占比高达69%,AMR、GMR、TMR传感器占比则分别是13%、5%和13%。

       从技术发展来看,霍尔传感器之后,依次出现的技术是AMR、GMR、TMR。作为最新的技术,TMR在低功耗和高精度方面,有着天然的优势。正如上述数据所示,目前磁传感器发展正处于高速增长期。作为一个大的传感器类别,磁传感器能够长久存在且不断进行技术迭代,背后的支撑力是庞大的市场需求。磁传感器具有精度高、响应速度快、灵敏度高,且具有无接触、无摩擦、无振动等优点,广泛用于汽车、工业、消费电子、医疗器械、计算机等领域,主要的产品形态包括磁位置传感器、磁速度传感器、磁开关、磁电流传感器、电子罗盘和锁存器等,市占比分别为38.2%、20%、16.8%、16.2%、8.5%和0.3%。

  纳芯微四大磁传感器产品矩阵

  作为现代传感器产业的一个主要分支,磁传感器不仅产品类别丰富,且应用广泛。谢奔指出,纳芯微公司的使命是“‘感知’‘驱动’未来,共建绿色、智能、互联互通的‘芯’世界”。因而,磁传感器是纳芯微重要的产品布局。目前,纳芯微在磁传感器方面共有四大产品矩阵:

  ·电流传感器,包含集成式电流传感器、线性电流传感器,其中线性电流传感器又可分为有磁芯和无磁芯的方案。

  ·位置传感器,包含角度传感器、磁开关,其中磁开关又包含了车规霍尔开关/锁存器、工规霍尔开关、工规TMR开关/锁存器。

  ·速度传感器,主要是ABS轮速传感器。

  ·磁传感器调理芯片,用于xMR或GaAs霍尔传感器的信号调理。

揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

  对照上面的市占比信息,可见纳芯微的磁传感器类别是非常全面的,技术上主要倾向于布局成熟的霍尔传感器,以及TMR磁阻效应传感器。记者对比纳芯微和多家厂商的磁传感器产品后发现,无论是基于怎样的技术原理,纳芯微磁传感器在精度和灵敏度方面都有一定的优势,谢奔称,这是因为纳芯微对此专门做了技术增强,尤其是针对霍尔传感器。

       他介绍说,霍尔传感器作为一个历史悠久的磁传感器类别,和其他后面出现的技术(指AMR、GMR、TMR)相比,在精度和灵敏度等方面会有劣势。纳芯微深知这一点,基于多年的传感器调理芯片设计经验,以及在产品开发与应用过程中积累的大量客户需求与应用经验,针对性地设计了一阶+二阶温度补偿电路,保证了霍尔传感器在温度范围内的输出稳定性。

揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

       为了让霍尔传感器也能够拥有较高的精度,纳芯微开发了霍尔板堆叠、旋转电流驱动等技术。一般而言,霍尔传感器相比xMR传感器会有更高的噪声,为了实现产品的低噪声,纳芯微在产品内部进行霍尔板堆叠,虽然产品内部看起来还是一个霍尔点,不过这个点内会包含6个、8个,甚至更多的霍尔板,进而让产品有更加优质的噪声表现。

揭秘纳芯微磁传感器出货超亿颗的秘密!

       产品有了更高的信噪比,就会更加容易实现高精度。同时,纳芯微还在霍尔传感器内部加入了旋转电流驱动等专利技术,有两象限旋转或者四象限旋转等多种方式,从而降低了霍尔传感器的零漂,这也能进一步提升产品精度。

       谢奔指出,“为了提升霍尔传感器的特征性能,在纳芯微内部,上述这样的技术创新非常多。”他以纳芯微霍尔效应角度传感器举例,该产品一个突出的优势是能够在更宽的温度和磁场变化范围内保持高精度。这主要得益于差分检测与Cordic算法。相关器件采用四盘霍尔差分检测,针对差分后的正余弦信号,又设计了自动增益调整模块,可以将动态变化的原始模拟信号灵活地调整到14bit ADC的70%或80%量程。再加上Cordic算法,纳芯微霍尔效应角度传感器便具有了抵抗外界杂散磁场干扰的能力,不受环境温度变化的影响,器件内的动态角度补偿、滤波器等则进一步提升了测量精度。

       记者在和谢奔的沟通中能够明显感觉到,在纳芯微每一款霍尔传感器背后,都会有一个技术创新的故事。通过这些技术创新,纳芯微的霍尔传感器具备了线性区间大,抗干扰能力强,等优点,且产品精度处于行业领先地位,也进一步提升了产品的性价比。和霍尔传感器一样,纳芯微在TMR传感器方面同样进行了大量的技术创新,以进一步发挥TMR在低功耗和高精度方面的技术优势。

       除了产品性能方面的优势之外,谢奔表示,无论是当下,还是未来的产品规划,汽车都是纳芯微磁传感器重点关注的方向。为了让产品能够满足汽车应用中复杂、严苛的环境挑战,“高品质”是纳芯微磁传感器的另一张名片。高品质体现在很多方面,包括性能冗余、应力补偿和高可靠性。

       首先看性能冗余,谢奔以纳芯微集成式电流传感器举例,产品提供隔离电压功能。其中,SOW-16封装的集成式电流传感器的基本绝缘工作电压是1550Vpk/1097Vrms,是UL62368法规基于其爬电距离8.0mm所允许的工作电压。不过,该产品内部的绝缘物质的绝缘能力远不止于此。在绝缘油中,其最大浪涌隔离耐压(Vsurge)可达10kV。

       再看应力补偿,无论是在汽车应用中,还是在工业、能源应用中,外部应力都是一个很大的挑战。为了让纳芯微的磁传感器能够应对这些应力情况,该公司在电路设计和结构设计上都给出了方案。在电路设计上,纳芯微部分产品带有应力补偿功能;在结构设计上,纳芯微磁传感器在形状设计和封装材料选择方面充分考虑了应力的影响,在工程验证阶段,会在变化的环境中根据应力对性能的影响调整框架设计,并选择具有更低应力系数的封装材料。

       最后看一下产品高可靠性保障,在这个方面,纳芯微通过三大抓手进行保障——可靠性设计、可靠性验证、高覆盖度下线测试。“在纳芯微内部,针对汽车芯片开发有一套产品设计开发的准则,通过设计审查的方式来评估一颗芯片是否满足汽车应用的需求,在过孔数量、线宽、走线等方面都有非常严格的要求。另外,车规级的磁传感器,不仅需要严格遵循车规级测试和可靠性标准,同时也需要使用车规级电路的设计规则,采用车规晶圆,以及符合要求的车规封测专线。”谢奔说。

       根据他的描述,实际上除了这三大抓手,纳芯微针对一些特殊应用的车规级产品的可靠性测试还会“加严”——进行更加严格的额外测试,比如汽车芯片一般会有1000小时的长时间老化测试,纳芯微的标准是双倍的,要测2000小时。这种严格的产品测试流程在工业和消费级磁传感器方面同样有所体现。同时,纳芯微工业和消费级磁传感器在生产端也有相应的生产管控,比如3西格玛(3σ)管理,进而保障产品无质量问题。

  纳芯微磁传感器的应用领域

  从应用角度来看,磁传感器的应用是非常广泛的,国计民生的各个领域都有涉及。那么,纳芯微四大磁传感器产品矩阵主要面向哪些领域呢。谢奔回复称,汽车、能源、工业和消费电子是纳芯微磁传感器重点覆盖的领域。

        面向汽车领域,纳芯微提供集成式电流传感器、线性电流传感器、角度传感器、车规霍尔开关/锁存器、速度传感器等产品。其中,集成式电流传感器主要用于汽车OBC、DC-DC;线性电流传感器主要用于汽车牵引电机的相电流与母线电流检测;角度传感器主要用于汽车热管理系统水阀位置检测、雨刮器位置检测、方向盘转角位置检测、EGR阀等;车规霍尔开关/锁存器主要用于汽车座椅位置、车窗控制、天窗、尾门位置检测、车载电机换相等;速度传感器主要用于汽车ABS轮速检测。谢奔强调,后续包括主动悬架、EPS等汽车应用,纳芯微的磁传感器也会陆续支持。

       面向工业、能源和消费电子领域,纳芯微提供集成式电流传感器、线性电流传感器、工规霍尔开关、工规TMR开关/锁存器等产品。其中,集成式电流传感器主要用于工业变频器、电源、光伏逆变器等领域;线性电流传感器主要用于电流传感器模块等应用;工规霍尔开关主要用于家电、智能门锁、电动两轮车、无人机、鼠标键盘、电动工具、笔记本电脑、民用电表等市场;工规TMR开关/锁存器主要用于工业液位计、干簧管替代、民用表计(水表、气表、热量表)、工业伺服编码器等领域。

       纳芯微磁传感器调理芯片主要用于xMR或GaAs霍尔的信号调理。综合谢奔的深入讲解和纳芯微的官方资料,纳芯微磁传感器品类全、应用广,全面的技术支持在中间起到积极串联作用。针对上述应用,纳芯微提供完善的文档和工具支持、及时的现场技术支持,且工具中有很多易于用户使用的改进。以可编程霍尔开关NSM1030应用为例,GUI上设计了Auto trim功能,用户不需要在应用中手动一步步调整code, 取而代之可以通过一键自动调教的方式自动寻找开关点,大幅提升了编程效率。

       此外,和其他磁传感器供应商相比,纳芯微有一个显著的竞争优势就是出色的产品定制化能力。谢奔称,纳芯微有完善的产品开发流程,多年的大客户合作开发经验,保障了开发过程的科学性,降低人为因素造成开发事故的可能性。同时,加严的可靠性测试进一步确保了芯片的可靠性。

     “在纳芯微传感器、电源、信号链、驱动、隔离接口等众多产品线中,积累了大量的IP,这些经过不同应用场景验证过的IP可以被芯片设计人员直接调用,从而大大提高开发效率并有效降低产品开发失败、存在品质问题的可能性。这些复用的IP让纳芯微的产品无论是标准品还是定制产品,都具有超高的性价比。”他进一步讲到。

       事实上,上面提到的纳芯微速度传感器就属于一款定制芯片,是纳芯微与大陆集团旗下合资公司陆博合作开发的轮速传感器,主要应用于防抱死制动系统(ABS)、车身电子稳定系统(ESP)、自动变速器等控制系统。在这个案例中,纳芯微充分发挥自己的技术优势和领先的产品、市场理解,为陆博提供符合其本土化战略及市场需求的解决方案。据悉,这款产品将于今年第四季度量产,既是一款定制化产品,也是一款面向通用市场的产品。

       谢奔表示,“在定制化业务合作中,还有一点也很重要,作为一家上市公司,纳芯微具有稳健的财务能力与业务透明度,保障定制化项目合作方的供应链安全。”


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2025-06-25 10:35 阅读量:333
纳芯微高压半桥驱动NSD2622N:为E-mode GaN量身打造高可靠性、高集成度方案
  纳芯微发布专为增强型GaN设计的高压半桥驱动芯片NSD2622N,该芯片集成正负压稳压电路,支持自举供电,具备高dv/dt抗扰能力和强驱动能力,可以显著简化GaN驱动电路设计,提升系统可靠性并降低系统成本。   应用背景  近年来,氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)凭借高开关频率、低开关损耗的显著优势,能够大幅提升电源系统的功率密度,明显优化能效表现,降低整体系统成本,在人工智能(AI)数据中心电源、微型逆变器、车载充电机(OBC)等高压大功率领域得到日益广泛的应用。  然而,GaN器件在实际应用中仍面临诸多挑战。以增强型氮化镓(E-mode GaN)器件为例,由于导通阈值较低,在高压大功率场景,特别是硬开关工作模式下,如果驱动电路设计不当,高频、高速开关过程中极易因串扰而导致误导通现象。与此同时,适配的驱动电路设计也比较复杂,这无疑提高了GaN器件的应用门槛。  为了加速GaN应用普及,国内外头部GaN厂家近年来推出了一些集成驱动IC的GaN功率芯片,特别是MOSFET-LIKE类型的GaN功率芯片,其封装形式可与Si MOSFET兼容,在一定程度上降低了GaN驱动电路的设计难度。但集成驱动的GaN芯片仍存在很多局限性:一方面难以满足一些客户对于差异化产品设计的需求;另一方面,在多管并联、双向开关等应用场景中并不适用,所以在诸多应用场景中仍需要分立GaN器件及相应的驱动电路。对此,纳芯微针对E-mode GaN开发专用驱动芯片NSD2622N,致力于为高压大功率场景下的GaN应用,提供高性能、高可靠性且具备成本竞争力的驱动解决方案。  产品特性  NSD2622N是一款专为E-mode GaN设计的高压半桥驱动芯片,该芯片内部集成了电压调节电路,可以生成5V~6.5V可配置的稳定正压,从而实现对GaN器件的可靠驱动;内部还集成了电荷泵电路,可以生成-2.5V的固定负压用于GaN可靠关断。该芯片由于将正负电源稳压电路集成到内部,因此可以支持高边输出采用自举供电方式。  NSD2622N采用纳芯微成熟可靠的电容隔离技术,高边驱动可以支持-700V到+700V耐压,最低可承受200V/ns的SW电压变化速率,同时高低边输出具有低传输延时和较小的传输延时匹配特性,完全满足GaN高频、高速开关的需求。此外,NSD2622N高低边输出均能提供2A/-4A峰值驱动电流,足以应对各类GaN应用对驱动速度的要求,并且可用于GaN并联使用场景。NSD2622N内部还集成一颗5V固定输出的LDO,可以为数字隔离器等电路供电,以用于需要隔离的应用场景。  NSD2622N详细参数:  SW耐压范围:-700V~700V  SW dv/dt抑制能力大于200V/ns  支持5V~15V宽范围供电  5V~6.5V可调输出正压  -2.5V内置输出负压  2A/4A峰值驱动电流  典型值10ns最小输入脉宽  典型值38ns输入输出传输延时  典型值5ns脉宽畸变  典型值6.5ns上升时间(1nF 负载)  典型值6.5ns下降时间(1nF 负载)  典型值20ns内置死区  高边输出支持自举供电  内置LDO固定5V输出用于数字隔离器供电  具备欠压保护、过温保护  工作环境温度范围:-40℃~125℃NSD2622N功能框图  告别误导通风险,提供更稳定的驱动电压  相较于普通的Si MOSFET驱动方案,E-mode GaN驱动电路设计的最大痛点是需要提供适当幅值且稳定可靠的正负压偏置。这是因为E-mode GaN驱动导通电压一般在5V~6V,而导通阈值相对较低仅1V左右,在高温下甚至更低,往往需要负压关断以避免误导通。为了给E-mode GaN提供合适的正负压偏置,一般有阻容分压和直驱两种驱动方案:  1.阻容分压驱动方案  这种驱动方案可以采用普通的Si MOSFET驱动芯片,如图所示,当驱动开通时,图中Cc与Ra并联后和Rb串联,将驱动供电电压(如10V)进行分压后,为GaN栅极提供6V驱动导通电压,Dz1起到钳位正压的作用;当驱动关断时,Cc电容放电为GaN栅极提供关断负压,Dz2起到钳位负压的作用。阻容分压驱动方案  以上阻容分压电路尽管对驱动芯片要求不高,但由于驱动回路元器件数量较多,容易引入额外寄生电感,会影响GaN在高频下的开关性能。此外,由于阻容分压电路的关断负压来自于电容Cc放电,关断负压并不可靠。  如以下半桥demo板实测波形所示,在启机阶段(图中T1)由于电容Cc还没有充电,负压无法建立,所以此时是零压关断;在驱动芯片发波后的负压关断期间(图中T2),负压幅值随电容放电波动;在长时间关断时(图中T3),电容负压无法维持,逐渐放电到零伏。因此,阻容分压电路往往用于对可靠性要求相对较低的中小功率电源应用,对于大功率电源系统并不适用。E-mdoe GaN采用阻容分压驱动电路波形(CH2为驱动供电,CH3为GaN栅源电压)  2.直驱式驱动方案  直驱式驱动方案首先需要选取合适欠压点的驱动芯片,如NSI6602VD,专为驱动E-mode GaN设计了4V UVLO阈值,再配合外部正负电源稳压电路,就可以直接驱动E-mode GaN。  这种直驱式驱动电路在辅助电源正常工作时,各种工况下都可以为GaN提供可靠的关断负压,因此被广泛使用在各类高压大功率GaN应用场景。  纳芯微开发的新一代GaN驱动NSD2622N则直接将正负稳压电源集成在芯片内部,如以下半桥demo板实测波形所示,NSD2622N关断负压的幅值、维持时间不受工况影响,在启机阶段(图中T1)驱动发波前负压即建立起来;在GaN关断期间(图中T2),负压幅值稳定;在驱动芯片长时间不发波时(图中T3),负压仍然稳定可靠。E-mode GaN采用NSD2622N驱动电路波形(CH2为低边GaN Vds,CH3为低边GaN Vgs)  简化电路设计,降低系统成本  NSD2622N不仅可以通过直驱方式稳定、可靠驱动GaN,最为重要的是,NSD2622N通过内部集成正负稳压电源,显著减少了外围电路元器件数量,并且采用自举供电方式,极大简化了驱动芯片的供电电路设计并降低系统成本。  以3kW PSU为例,假设两相交错TTP PFC和全桥LLC均采用GaN器件,对两种直驱电路方案的复杂度进行对比:  如果采用NSI6602VD驱动方案,需要配合相应的隔离电源电路与正负电源稳压电路,意味着每一路半桥的高边驱动都需要一路独立的隔离供电,所以隔离辅助电源的设计较为复杂。鉴于GaN驱动对供电质量要求较高,且PFC和LLC的主功率回路通常分别放置在独立板卡上,因此,往往需要采用两级辅助电源架构,第一级使用宽输入电压范围的器件如flyback生成稳压轨,第二级可以采用开环全桥拓扑提供隔离电源,并进一步稳压生成NSI6602VD所需的正负供电电源,以下为典型供电架构:NSI6602VD驱动方案典型供电架构  如果采用NSD2622N驱动方案,则可以直接通过自举供电的方式来简化辅助电源设计,以下为典型供电架构:NSD2622N驱动方案典型供电架构  将以上两种GaN直驱方案的驱动及供电电路BOM进行对比并汇总在下表,可以看到NSD2622N由于可以采用自举供电,和NSI6602VD的隔离供电方案相比极大减少了整体元器件数量,并降低系统成本;即使采用隔离供电方式,NSD2622N由于内部集成正负稳压电源,相比NSI6602VD外围电路更简化,因此整体元器件数量也更少,系统成本更低。GaN直驱方案的驱动及供电电路BOM对比  适配多种类型GaN,驱动电压灵活调节  纳芯微开发的E-mode GaN驱动芯片NSD2622N,不仅性能强大,还能够适配不同品牌、不同类型(例如电压型和电流型)以及不同耐压等级的GaN器件。举例来说,NSD2622N的输出电压通过反馈电阻可以设定5V~6.5V的驱动电压。这样一来,在搭配不同品牌的GaN时,仅仅通过调节反馈电阻就可以根据GaN特性设定最合适的驱动电压,使不同品牌的GaN都能工作在最优效率点。  除此之外,NSD2622N具备最低200V/ns的SW节点dv/dt抑制能力,提升了GaN开关速度上限;采用更为紧凑的QFN封装以及提供独立的开通、关断输出引脚,从而进一步减小驱动回路并降低寄生电感;提供过温保护功能,使GaN应用更安全。  纳芯微还可提供单通道GaN驱动芯片NSD2012N,采用3mm*3mm QFN封装,并增加了负压调节功能,从而满足更多个性化应用需求。
2025-05-30 09:52 阅读量:497
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