纳芯微压力传感器助力车企满足最新国六标准

发布时间:2025-03-18 15:01
作者:AMEYA360
来源:纳芯微
阅读量:549

  国家第六阶段机动车污染物排放标准(以下简称:“国六”标准)的发布,旨在从源头着手改善空气质量‌,显著减少汽车尾气中的有害物质排放,对汽车燃油系统提出了更高的要求。为了帮助车企更好地响应“国六”标准,作为高性能高可靠性模拟及混合信号芯片的公司,纳芯微此前发布了NSPGL1系列压差传感器和NSPAS5N系列绝压传感器,从灵敏度、品质、灵活性等多个方面赋能车企和零部件供应商。

  “国六”标准下的压力传感器需求

  “国六”标准是国家根据国内的环境状况和国际的技术发展,对汽车尾气排放的限值和测量方法进行修订和升级的标准,分为“国六a”和“国六b”两个阶段,分别于2020年和2023年实施。相较于“国六a”,“国六b”在各方面都更加严苛,比如在氮氧化物方面,“国六a”的排放标准为每公里60毫克,“国六b”则是每公里35毫克。行业人士普遍认为,“国六a”是过渡标准,“国六b”才是真正的“国六”标准。为了满足严苛的“国六”标准,车企需要在车辆发动机、尾气处理设备等方面增加了更多的技术投入。以轻型汽油车为例,缸内直喷(GDI)、涡轮增压、三元催化(TWC)、汽油颗粒捕集(GPF)、车载加油油气回收(ORVR)等技术均得到了改善或应用。也就是说,“国六”标准让汽车燃油系统设计发生了明显的改变。这也带来了大量的、新的传感器需求。如下图所示,为满足“国六”标准,发动机管理系统用到了种类丰富的MEMS压力传感器。

纳芯微压力传感器助力车企满足最新国六标准

  其中,曲轴箱通风压力传感器的作用是测量曲轴箱内的压力与大气压力的压差,并以信号形式发送至发动机控制装置。为了响应“国六”标准,汽车燃油发动机的设计都会进行曲轴箱通风系统设计,将曲轴箱内的混合气通过连接管导向进气管的适当位置,返回气缸重新燃烧,既可以减少排气污染,又提高了发动机的经济性。同时,在发动机低怠速时,曲轴箱是负压状态,如果不进行强制通风,将会严重影响发动机的性能和排放。要实现这些功能,离不开曲轴箱通风压力传感器。

  碳罐脱附压力传感器的功能是感应脱附路径的压力变化,转换成电压信号提供给控制系统,以适时开关阀门。碳罐是车载加油油气回收(ORVR)系统的一部分,“国六”标准要求,汽车加油时产生的汽油蒸汽都要存储在碳罐里,向大气的排放量要接近于零,因此满足“国六”标准的汽车相较于“国五”标准的汽车增加了碳罐通大气口的密封装置,通过碳罐脱附压力传感器配合软件实现“零排放”的目标。

  尾气回收系统压力传感器是为了减少汽车尾气排放量而设计的,其主要作用通过回收和利用排气管中的废气热能来为发动机供应额外的能量。在尾气回收系统中,压力传感器可以感受到因发动机启动而导致的系统压力变化,帮助系统控制回收系统的阀门,使回收的废气热能被最大限度地利用,减少尾气排放对环境造成的污染。

  其他的压力传感器在此不再一一展开,当然这些压力传感器都面临一些共性的挑战。首先,相较而言应用于燃油管理系统的压力传感器,其工作环境大都比较恶劣,除了高温、高压之外,还要面临油气的腐蚀,以及振动等因素的影响,但系统需要这些传感器在恶劣的环境中依然能够稳定工作,以改善汽车排放指标。其次,不同类型的汽车对于MEMS压力传感器的性能要求也不一样,比如混动汽车和传统燃油车由于发动机工作状态不同,还有常压和高压油箱的区别,便会对MEMS压力传感器提出不同的需求。

  当然,机遇总是和挑战并存。国六标准要求所有燃油蒸汽压力传感器(FTPS)、GPF压差传感器必须100%安装,碳罐脱附压力传感器的安装率达到50%以上,同时商用车还需安装DPF压差传感器,因此各类型MEMS压力传感器的用量是非常可观的。纳芯微最新发布的NSPGL1系列压差传感器和NSPAS5N系列绝压传感器,在灵敏度、品质、灵活性等多方面都达到了行业顶尖水平,能够帮助车企更好地响应“国六”标准,打造高性能、低排放的发动机系统。

  更可靠、更灵敏、更易用的NSPGL1系列

  NSPGL1系列是纳芯微专为燃油蒸汽压力监测、曲轴箱通风泄漏检测、刹车助力真空度检测等应用环境设计的压差传感器。纳芯微电子市场经理毛怿奇表示:“NSPGL1系列的推出对于纳芯微产品升级和客户方案升级都有着重要意义。相较于纳芯微上一代模组类型的产品,NSPGL1系列在外形和腔体设计方面都有明显的改变和提升,通过高度集成的方式简化了车企的PCB元器件管控;相较于国际厂商提供的无PCB(PCB-less)方案,NSPGL1系列基于芯片的实现方式在成本方面有着巨大的优势,且又能在外形上完美兼容国际厂商芯片级方案,无需客户重新开模设计,减少了方案升级的研发周期。”

纳芯微压力传感器助力车企满足最新国六标准

  从产品特征性能不难看出,纳芯微NSPGL1系列压差传感器具有显著的高精度、高品质和易于使用的优势。NSPGL1系列实现了100%出厂预校准,提供高精度、宽温区、高度线性、高稳定性的性能表现,在-40℃~130℃全温范围内支持100%温度补偿,精度优于±2.5%F.S.。毛怿奇强调:“相较于当前市面上的竞品,NSPGL1系列的反应更加灵敏,响应时间大概在0.8毫秒。与国际厂商相同精度产品相比,NSPGL1系列的功耗远低于竞品。并且,和竞品只提供几个固定量程不同,NSPGL1系列支持客户定制量程,以极高的灵活性满足差异化需求。”

  据介绍,NSPGL1系列支持0~±5kPa/±35kPa/±100kPa内量程可定制,可轻松满足传统车的常压油箱压力(4kPa~7kPa)检测,混动车的高压油箱压力(35kPa~40kPa)检测,以及刹车真空度助力(0~-100kPa)压力检测等场景。

  NSPGL1系列具有出色的产品品质,产品设计、晶圆制造、封装测试和校准全部满足车规级要求。NSPGL1系列通过高达18V的高压供电,支持反压-24V过压28V保护,可承受3x过载压力和5x爆破压力。为了适用于恶劣的油气环境,NSPGL1系列采用独特贵金属焊盘的MEMS芯片搭配陶瓷基板封装。毛怿奇指出:“目前,大部分MEMS传感器采用铝焊盘,在强酸、强碱或者强氧化性的条件下容易被腐蚀,而油气中的一氧化硫、二氧化硫和氮氧化物等气体,遇水都会形成酸。NSPGL1系列通过采用贵金属焊盘的MEMS设计,后续可以通过对ASIC进行贵金属化升级来轻松应对这些挑战。

  此外,上述已经提到,纳芯微NSPGL1系列完美兼容当前市场上主流的产品,简单易用,可移植性好。毛怿奇透露:“NSPGL1系列下一步的优化方向是通过国内供应链实现进一步降本,以提升客户方案的性价比,并确保客户产品的供应链安全,同时,纳芯微NSPGL2系列正在加紧研发,预计将会在2025年Q4推向市场,产品集成化程度进一步提升,届时在燃油蒸汽压力监测、曲轴箱通风泄漏检测、刹车助力真空度检测等应用方面,方案的外围器件将大幅减少至2-3颗。”

  支持亚毫秒级快速响应的NSPAS5N系列

  NSPAS5N系列是纳芯微打造的适配尾气再循环系统的绝压传感器。和NSPGL1系列一样,NSPAS5N系列所处的工作环境同样恶劣,在带尾气的进气歧管压力检测(EGR-TMAP)等环境中,尾气里的有害气体也容易形成强酸、强碱、强腐蚀环境。毛怿奇介绍说:“采用贵金属焊盘设计的NSPAS5N系列能够以出色的产品品质轻松应对这些环境挑战。更为重要的是,NSPAS5N系列能够在如此严苛的环境中保持稳定的高精度输出。”

纳芯微压力传感器助力车企满足最新国六标准

  NSPAS5N系列的高精度、高品质特性与NSPGL1系列类似。NSPAS5N系列也具有高度线性、稳定性好和无需校准的优势,提供100%温度补偿,在0℃~85℃温度范围内输出精度优于±1% F.S.,-40℃~130℃全温范围内精度优于±1.5% F.S.,且工作电流小于3mA。NSPAS5N系列也采用高达18V的高压供电,支持反压-24V过压28V保护,可承受3x过载压力和5x爆破压力,并借助贵金属焊盘设计应对环境挑战。

  NSPAS5N系列还具有业界领先的响应速度,提供多种输出方式,支持模拟比例/绝对输出,并在10kPa~400kPa内量程可定制。NSPAS5N系列支持亚毫秒级快速响应,响应时间小于1ms。为此,纳芯微在两个方面做了特别的增强:其一是MEMS传感器的灵敏度提升;其二是降低调理芯片的响应时间。这种快速响应特性可以让尾气再循环处理系统更快、更准确地获取数据,以帮助燃油系统调整喷油比,让燃烧更加充分。

  面向未来,纳芯微MEMS压力传感器将着重在两个方向上进行增强。第一个是SPEC层面的提升,包括MEMS传感器的精度提升,从1.5%或1%向5‰迈进,过反压能力提升至±40V以及EMC/ESD能力的提升;MEMS传感器工作温度区域的提升,从-40℃-125℃到AEC-Q100 Grade 0级别的-40℃-150℃,并着力优化传感器的封装形式。

  第二个是接口丰富度的提升。当前,随着新能源汽车上的创新应用不断涌现,MEMS传感器上的接口已经从传统的模拟接口转变为SPI、SENT、LIN和PSI5等接口类型,丰富的接口能够满足方案商更多元化的设计需求。

  结语

  “国六”标准实施的目的是减少机动车尾气排放对环境的污染,保护生态环境。但对传统燃油车和混合动力汽车而言,却是一个巨大的挑战,需要从整个发动机管理系统着手改善排放指标。在此过程中衍生出了大量的传感器需求,因而纳芯微NSPGL1系列和NSPAS5N系列有着巨大的市场空间。

  NSPGL1系列和NSPAS5N系列展现出了领先行业的性能,包括高灵敏度、快速响应和稳定可靠等。同时,得益于纳芯微在MEMS压力传感器领域长期秉持的全自研策略,NSPGL1系列和NSPAS5N系列有着出色的定制化属性,可以更灵活地满足客户需求。


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2025-06-25 10:35 阅读量:337
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:499
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