BCM

早期對繫留無人飛艇的實驗暴露了一個基本挑戰，那就是它們在強風條件下，相對而言無法保持靜止不動。需要一種新解決方法，Dragonfly Pictures(DPI)日前開發了一種新型無人機—原地懸空繫留無人機。 不同於電池供電的多旋翼無人機需要每20分鐘更換一次電池，繫留無人機通過一根連接基站的電線接收電源。因此，它們可以在空中停留數小時，甚至幾天時間。DPI的繫留多旋翼無人機旨在用於跟蹤尾隨移動主機平台，包括船艦、船隻、卡車以及其它無人駕駛地面交通工具等。 與固定翼無人機相比，它們具有多項優勢，包括垂直起降功能。它們不需要跑道和發射台，也不需要回收設備。與飛艇不同的是，它們還能實現持續、靜止不動的定位，即使是在天氣不穩定以及風速變化莫測的情况下也是如此。 他們的繫留無人機在實際操作條件下進行了廣泛的測試，現時已經完全達到美國海軍在海洋/海洋環境中用於情報、監控與偵察(ISR)、通訊與影片應用的標準。 DPI的軍用/工業級無人多旋翼空中繼電器(UMAR)繫留無人機具有防雨、防雪、防塵和防熱效能，同時針對鹹水海洋環境進行了專門優化。 UMAR無人機的獨特優勢在於：通過繫線持續供電，它可以在500英尺的高空提供長達超過400個小時的不間斷運行時間和工作。但繫留架構存在重大的設計挑戰。電源需要以極高的電壓和極低的電流從主艦輸送給多旋翼無人機，這有助於使用較細、較輕的繫線，反過來又能新增無人機的機動性和機載有效載荷。 UMAR無人機在8至10kW的功率級下工作，功能非常強大，能夠在惡劣的海洋風暴條件下保持持續、靜止不動的定位。這一挑戰通常會因影響主艦定位的洶湧海水/海浪而變得更複雜。因此，無人機需要足夠的功率容量和敏捷性，才能加速旋翼提升的速度並即時響應短期或長期爆發的偏航。 在多旋翼無人機中，必須在盡可能較小的輕量級封裝外殼中實現高壓轉換。UMAR上帶的8個獨立旋翼需要複雜的互連PCB電路，因此電源組件層的任何空間節省，都可以重新用於其它加值組件。

為了進一步改善生產品質並維持穩定供貨，ROHM集團正在開發自動化柔性生產線。在該生產線上不僅可進行多樣半導體封裝，還能利用機器人來更換型架模具，在尺寸、形狀、引腳不同的半導體封裝之間輕鬆作切換。 本次新產線的自動更換功能大幅提高了切換速度，且生產線還新增了加工過程中的異常檢測功能，有望達成產品零缺陷，非常適合運用在要求高品質、少量多樣化需求的生產線。預計於2020年內完成檢測，2021年起將逐步拓展到ROHM全球生產據點。而除了導入這條自動化柔性生產線之外，ROHM集團也透過外部資源整合，積極建構健全的業務連續性管理(Business Continuity Management, BCM)體系，來確實履行對客戶的供貨責任。 ROHM董事長松本功表示，ROHM集團認定有效建立BCM體系是企業經營中的重要課題之一。在確定災害風險等級後，於國內外生產據點設立對策委員會，制定業務連續性計畫(Business Continuity Plan, BCP)，並以此為基礎進行教育訓練，針對任何緊急情況預先做好準備。2011年發生的東日本大地震和泰國洪水是重要關鍵，事後ROHM便積極強化BCM體系，建立了多據點生產體制並確保庫存，同時也採用了部分生產外包制(OSAT)。 目前，在全球快速傳播的新冠肺炎疫情，導致生產替代體制無法充分發揮作用，我們了解到之所以會發生這種情況，是來自於現有生產體制的不完備。反覆思考之後，我們決定要儘速打造出使產品達到零缺陷(零不良)、自動化、柔性的生產線，這將有助大幅提升人均生產率，但這並不代表需要人員縮編，而是讓員工從事如品質提升或效率改善等更具創造性的工作，讓ROHM集團今後能夠堅強去面對各種挑戰。

全球各界對二氧化碳 (CO2) 排放不斷上升的擔憂日益加劇，這刺激了全球對純電動汽車 (EV) 及混合動力電動汽車 (HEV) 的需求。此外，航空業也在經歷類似的發展，相關機構正在分析電動航空產品的成本及效能優勢。如果能夠讓航空旅行基礎設施的成本降低，就可以將航空旅行擴展到服務不完善的偏遠地區。 Ampaire(位於加州霍桑)始終致力於透過開發對環境無污染的、更低成本的安全、安靜的電動飛機來實現這一願景。相對於傳統內燃機飛機而言，Ampaire 專注於實現燃料成本降低 90%、維護成本降低 50%、起飛及降落雜訊降低 66%、尾氣排放為零的全電動飛機。 僅在美國，採用電動推進技術就可將航空公司的目的地數目增加 10 倍，將機場從 500 個增加到 5000 個。因此，生活在偏遠地區的人們將更輕鬆地享受區域性航空運輸服務，同時由於營運成本高而難以盈利的區域性航空公司將處於蓬勃發展的有利位置。 Ampaire 目前正處於原型設計階段，他們開發了一種雙動能架構，在初始試飛場景中實現冗餘，從而可根據有效載荷、巡航速度和飛行路線評估並開發在燃料與電動能源之間劃分功率與推進負載的技術。 目前 Ampaire 的原型設計—改裝過的西斯納 337 Skymaster，採用內聯並行的混合動力架構：一款標準內燃機引擎螺旋槳位於飛機的尾部、電動螺旋槳位於飛機的前部。在飛行過程中，動力可以在兩個推進系統之間動態共用，以最佳化速度、動力、燃料消耗或雜訊。 Ampaire 原型機的供電系統由一個電壓範圍為 500V...

意法半導體(ST)L99UDL01通用型車門鎖IC整合6個MOSFET半橋輸出和兩個半橋閘極驅動器，以及電路保護和診斷功能，可提升方案安全性、簡化設計並節省空間。 L99UDL01 是電子技術中控鎖整體解決方案，來自車身控制模組(Body-Control Module，BCM)，其取代了多個獨立馬達驅動器以及相關的類比和被動元件，同時提供了更先進的功能。 該IC整合一個獨特安全保護功能，在發生事故時，該功能可以強制接管正常操作，便於急救人員能夠進入車輛施救。其他增值功能包括PWM輸出電流穩壓和高階診斷功能，可以檢測超載電流、開路負載、電池短路和接地短路，在不啟動負載的情況下完成負載完整性檢查。 晶片上整合的6個MOSFET半橋可以獨立連接，也可以並聯成兩個各組最多三個半橋的輸出通道，以分配更大的電流負載。輸出MOSFET受到全面保護，低RDS(ON)電阻可提升效能並簡化熱管理設計。為確保性能處於最佳狀態，可調整重要參數，包括導通時長、斷態故障檢測，以及輸出電流大小和方向。利用設定限流功能，設計人員可以降低門鎖馬達受到的電應力，並提升系統可靠性。 兩個半橋閘極驅動器讓設計人員連接所選的N通道MOSFET，或者為控制額外的大功率負載，可以選擇與智慧功率元件連線，提升設計的靈活性。驅動器整合主動電流再迴圈模式，可最大程度地降低耗散功率，另內建外部功率元件保護功能，包括漏-源電流監測和斷態故障偵測。 此外，L99UDL01提供50µA待機和休眠兩種省電模式。待機模式可透過BCM模組的SPI命令重新啟動控制器，而休眠模式則可將電流降至15µA以下。

Vicor近日推出全新800V總線轉換器模組，800V BCM4414是一款1.6KW隔離式、1/16固定比率總線轉換器模組(BCM)，可在500V~800V的輸入電壓下平穩工作，提供SELV輸出電壓，峰值效率達97%。最新的800V BCM模組擴展補足了Vicor現有700V BCM4414的超高輸入電壓產品線，建立一系列完整具更強高達4,242 VDC隔離性能同時具雙向電壓轉換功能的產品。 此BCM模組可輕易並聯以達到更高功率需求的應用，而SELV範疇內的輸出可直接進行串聯堆疊達到更高輸出電壓的需求。這兩款BCM均採用111×36×9.3公釐VIA(Vicor Integrated Adapter_封裝，整合了PMBus通訊瀑埠、EMI濾波器及電壓暫態保護功能。VIA的平面外形封裝可大幅簡化散熱設計，能夠與各式各樣的散熱技術輕鬆對接運用。該BCM既可用於軍用級(-55~100°C)應用，也可用於通訊級(-40~100˚C)

BCM設計正快速進化，例如接線盒(Junction Box，又被稱為配電盒)原本配送電源至各項繼電器，現已整合至BCM內，或轉換為類似BCM般的模組，將電源傳送至半導體開關。隨著舒適與便利功能增加，連接至BCM的驅動器輸入與感測器也增加。此外，專用於負載管控模組數量增加(如車頂馬達控制)，BCM的網路需求也提高。 圖1為BCM原理圖，涵蓋感測器與開關介面、通訊介面及負載驅動器模組，其中的微控制器(MCU)模組包括嵌入式數位處理器和幾項周邊設備。 圖1　BCM通用原理圖 由於BCM複雜程度不一，BCM內主動式半導體零組件數量也各有不同。主動式半導體裝置需要電壓供應(或電源)才能運作。若簡易BCM僅支援少數幾項功能，可能只有幾件負載驅動器和一項網路介面，而當複雜的BCM控制多項功能時，其組成可能包括幾項半導體裝置，例如參考裝置、運算放大器、多工器、多開關偵測介面、高側開關或發光二極體驅動器。 BCM內的主動式半導體裝置雖然功能複雜度不一，但都有一項共通之處，都須要由電源管理半導體零組件提供電源。電源管理架構複雜度依BCM複雜度而定，簡易BCM可能由低壓降(LDO)穩壓器供電，較複雜的BCM電源可能來自多項多階切換穩壓器，而運作所需電源最終仍來自車載12伏特(V)電池。 換言之，BCM內的電源管理裝置自車載12伏特電池獲得12伏特輸入電源後，產生BCM內各項半導體裝置所需的電壓。這些電壓通常介於1.2伏特和5伏特之間，且不論電源架構複雜度高低，至少都有一項電源管理裝置連接至BCM的12伏特電池供電針腳。接下來，將介紹現今BCM內的各種電源架構。 審慎為BCM提供動力 針對BCM等車內多項控制模組而言，車載12伏特電池並非唯一電源。12伏特電池電壓不僅擁有大範圍的運作電壓，也擁有瞬態電壓。BCM的電源管理裝置連接至12伏特電池後，不僅必須在12伏特電源變化下，向BCM主動式半導體裝置供電，且必須不受損害。圖2為電源管理的簡易原理圖。 圖2　BCM的電源管理 輸出電壓軌數量，以及每一軌的電壓和電流高低，取決於BCM的主動式半導體裝置。此外，若BCM為感測器產生的電源並非車載，產生電源的電源管理裝置必須避免故障。 決定BCM電源管理架構 處理BCM供電時，必須先釐清以下兩件事：BCM需要何種電池條件才能運作？BCM整合或控制哪些功能？ 回答這些問題後，可協助判斷應該為BCM印刷電路板(PCB)上的各項半導體積體電路(IC)供電採取何種電源管理架構。 BCM運作所需的電池條件，取決於車體架構及BCM負載，若BCM整合多項功能，如被動門禁/啟動系統(PEPS)、免鑰匙進入系統(RKE)或胎壓監測系統(TPMS)，積體電路數量就會與微控制器處理需求成正比，以提高系統整體電源需求。 LDO架構電磁干擾較少惟效率不彰 最簡易的BCM電源管理系統為全LDO架構，BCM設計時若採用全LDO架構，通常毋須在引擎冷啟動或怠速熄火等運作。 此外，BCM若採用全LDO架構，通常不會整合額外功能，如PEPS、RKE、TPMS或門禁功能。這些BCM執行數量較少的通訊收發器，如控制器區域網路(CAN)、車內互聯網路(LIN)，以及電源需求較低的微控制器。這些BCM稱為基礎BCM，也是最不複雜的種類，而LDO架構在所有必要電源軌中，均使用寬輸入電壓LDO，圖3為LDO電源架構原理圖，若增加LDO可提供更多電壓軌，每項LDO可輕鬆配置在印刷電路板上，且所有LDO僅需要一對電容和一對電阻。 圖3　LDO電源架構 雖然LDO架構具備多項優點，包括電磁干擾(EMI)較少、封裝小、布建容易，但也得考量其他因素，例如LDO的電源效率不彰，所以裝置內可能因為功耗所造成的熱能限制；若BCM電源架構需要400毫安培(mA)以上，LDO因熱能限制而未必是最佳選項。此外，由於壓降與反向電池保護二極體，LDO無法在冷啟動或怠速熄火時運作。 剖析第一階降壓轉換器/控制器電源架構 以下分成降壓至LDO/降壓以及升降壓電源架構兩部分，分別加以探討。 降壓至LDO/降壓 「切換式降壓穩壓器至LDO/降壓穩壓器電源管理系統」為彈性雙級電源架構，採行第一級降壓轉換器/控制器，以及第二級降壓式轉換器(LDO或降壓)。第二級降壓/LDO可能是單一LDO、單一降壓轉換器/控制器，或兩者結合。單一寬輸入電壓降壓轉換器/控制器提供第一電壓軌，再由低輸入電壓LDO/降壓提供較低電壓軌，以供應微控制器及其他裝置。 BCM採用降壓至直流對直流(DC-DC)電源架構後，或許會整合額外功能，在各電壓軌就需要更多電流，BCM若採用此種電源架構，就可能是基礎BCM或多功能BCM，也可能具備閘道功能。 圖4呈現降壓至DC-DC電源架構，只須在第一級降壓軌以外，增加額外LDO或降壓轉換器，就能在最複雜的BCM使用這項架構，選擇寬輸入電壓降壓轉換器，以提供系統內最高電壓軌(一般為5伏特的降壓至LDP/降壓架構)。如此能提升整體電源效能，最高電流軌只會轉換一次(而非兩次)，可減少傳導或切換損耗。 圖4　降壓至LDO/降壓電源架構 只要第一級降壓能符合BCM整體電源需求，在第一次降壓穩壓器軌之外增加DC-DC穩壓器就沒有問題，以系統而言，可在BCM增加乙太網路等通訊收發器，以及射頻(RF)積體電路和更高效能微控制器，有多項方式可達到特定BCM需求。 升降壓電源架構 降壓/升壓電源架構，相當類似雙級降壓穩壓器至LDO/降壓穩壓器電源架構，有兩大差異。第一，如名稱所示，第一級為寬輸入電壓降壓轉換器，第二級為低輸入電壓升壓轉換器；第二，相較於先前第一級降壓電源架構無升壓，此處的降壓轉換器的電壓軌較低，讓BCM在引擎怠速熄火時，仍能降壓/升壓架構運作，甚至在某些情況中，能夠在冷啟動時運作(取決於OEM最低輸入電壓要求)。 BCM若採行此種電源架構，則可使用電源需求較高的微控制器，以及多項CAN和LIN收發器，甚至是基地台積體電路，以發揮PEPS/RKE功能，因此降壓/升壓電源架構適合各種BCM。 在圖5中，可在第一級降壓穩壓器輸出增加額外的LDO或降壓轉換器，由於使用兩顆交換式電源積體電路，可提高整體系統電源效能。此外，降壓/升壓電源架構可提高客製化電源架構的彈性，滿足BCM確切電源需求。 圖5　降壓/升壓電源架構 可依據系統確切電流需求，選擇寬輸入電壓降壓和低輸入電壓升壓。若只使用一項寬輸入電壓降壓，以及低輸入電壓DC-DC穩壓器，可改善電源架構成本，若需要較低電壓軌，亦可在第二級輸出軌增加低輸入電壓LDO或DC-DC穩壓器，為各項電壓軌或高電源需求的BCM提供解決方案。 雖然第一級降壓架構可提升電源效能與設計彈性，仍有須要妥協之處。例如，所有切換DC-DC轉換器/控制器都需要額外濾波，才能改善電磁相容性(EMC)，也必須謹慎配置印刷電路板，BCM的電磁相容性才能提高。此外，加上DC-DC穩壓器後，也會增加物料清單(BOM)總數，因為第一級降壓的EMI濾波與DC-DC的外部零組件需要額外電容器與電感器。以輸入電壓角度而言，降壓至LDO/降壓電源架構無法在引擎冷啟動(或怠速熄火)時運作，而降壓/升壓電源架構能在怠速熄火或冷啟動時保證繼續運作。 採用單級/雙級降壓/升壓電源架構 降壓/升壓電源管理系統是簡易又有效的BCM電源架構，由於採取降壓/升壓方式，系統在有怠速熄火或冷啟動輸入電壓需求時也能運作，BCM若能採用降壓/升壓電源架構，通常是較簡單的系統，在冷啟動時需要1安培(A)至1.5安培，這項架構適合獨立BCM，或甚至是具備閘道功能的BCM。 圖6為降壓/升壓電源架構原理圖。額外的LDO可為系統提供較低電壓軌，積體電路附近只需單一電感器或數個電容器，因此可縮小印刷電路板所占空間，且降壓/升壓具備良好電源效率。 圖6　降壓/升壓電源架構 只須占用小空間，降壓/升壓架構可獨立為整個BCM，包括CAN、LIN收發器和微控制器供電。 雖然降壓/升壓電源架構易於落實，電源效率也很好，但還有一些難題須要考量。例如EMC和所有切換模式DC-DC穩壓器一樣，都會提高系統物料清單成本。若以整體電源架構設計而言，使用降壓/升壓電源架構會導致設計彈性較低，其他電源架構可組合降壓、升壓或LDO以符合系統電流需求，但採用降壓/升壓電源架構時，設計師的選項有限。 認識單級/雙級SEPIC電源架構 單端初級電感轉換器(SEPIC)電源管理系統(圖7)，是另一種有效且直接的電源架構，讓BCM能夠在冷啟動或怠速熄火時運作。 圖7　SEPIC電源架構 論優點，相較於降壓/升壓拓撲結構，SEPIC電源架構只需單一升壓控制器，可降低積體電路成本，任何BCM若需在最差輸入電壓條件下運作，SEPIC架構都很適合。 SEPIC轉換器使用單一升壓控制器，若有需要，可在SEPIC電壓軌外增加低輸入電壓降壓或LDO。由於這項架構使用升壓控制器，故需要外部場效電晶體(FET)、二極體和耦合電感器(或兩件電感器)，可依據系統需求設計SEPIC轉換器，以處理各種電源範圍及輸入電壓。 雖然SEPIC電源架構的優點包括降低積體電路成本，以及在冷啟動或怠速熄火時持續運作，仍有其他因素必須權衡。加上外部電感器、FET和二極體後，SEPIC轉換器所占面積較大；也因為切換與傳導損耗提高，SEPIC轉換器效能也不如降壓/升壓轉換器。 了解第一級升壓轉換器/控制器電源架構 若第一級升壓或預升壓架構用於BCM內，正是為確保在引擎冷啟動或怠速熄火時能持續運作。預升壓之後為LDO或降壓電源架構。各種BCM都能採取預升壓架構，但BCM若需要預升壓，都得在冷啟動電池條件下繼續運作，以控制或執行車輛功能。 圖8為預升壓電源架構。這項電源架構採取寬輸入電壓升壓，升壓後的功率級必須具備寬輸入電壓能力。因為只有在電池電壓低於特定升壓輸出電壓時，升壓才會運作，必須選擇預升壓輸出電壓或中間電壓，以改善下游DC-DC穩壓器的效能。 圖8　第一級升壓電源架構 相較於第一級降壓電源架構，所有連接至升壓輸出電壓的DC-DC穩壓器，都需要寬輸入電壓；此外，增加另一項DC-DC穩壓器後，會擴大印刷電路板所占空間，也需要另一項電感器和一組輸入及輸出電容器。 最後，電磁相容性也和其他切換式DC-DC穩壓器一樣，都是主要的考量，故唯有必須在最低冷啟動條件下運作時，才會選擇預升壓設計。 SBC缺點明顯  限制BCM設計 系統基礎積體電路(SBC)是種半導體裝置，同時具備電源管理與網路功能，由於BCM兩者都需要，設計時可使用SBC，SBC潛在優點包括工程設計較簡單及電路板所占空間較小。不過，SBC有些明顯缺點，如前所述，BCM複雜程度不一，所以電源管理和網路功能複雜度也有所不同。 在BCM使用SBC後，SBC裝置可能包括BCM不需要的額外功能，導致此設計的成本增加；若是切割電源管理與網路功能，只須增減印刷電路板上的相關裝置，就能滿足特定BCM的功能需求。 另一項缺點在於無法採用新式電源管理裝置，便無法運用其中的創新技術降低靜態電流、EMI、熱能管理、效能或尺寸。若在BCM中選用較為創新的電源管理裝置，可減少設計作業、縮小電路板空間、減輕EMI障礙。 由於網路裝置需要原始設備製造商(OEM)許可，在SBC中納入創新電源管理技術可能更耗時，造成設計師無法利用創新電源管理技術。另外，SBC非但無法達到理想的BCM架構或車體電子架構，反而會限制BCM設計。若電源管理與網路功能分開建置，則可能因為彈性提升而改善BCM整體成本。 針對油電混合/電動車的電源架構 隨著油電混合與電動車增加，連接至12伏特匯流排的電壓範圍、瞬態電壓和負載也在改變。例如，圖9為傳統內燃機車輛12伏特板網內的啟動引擎與交流發電機，以及BCM連接至12伏特匯流排。而圖10是油電混合車內的48伏特匯流排系統，其中馬達/發電器連接至48伏特匯流排。在此架構中，BCM仍連接至12伏特匯流排。 圖9　傳統12伏特匯流排和啟動馬達，會導致啟動時的電池電壓較低，以及交流發電機造成負載突降情形。 圖10　馬達/發電機連接至48伏特匯流排的車輛 在48伏特油電混合架構中，因為交流發電機並不在12伏特匯流排上，連接至12伏特匯流排的控制模組(包括BCM)最大輸入電壓較低。這代表能使用最大輸入電壓較低的電源管理裝置，進而壓低BCM成本。 在此情況下，電源與網路零組件分開建置較為有利，因為不論在傳統引擎車輛或油電混合車輛中，只需最小變化即可使用BCM。 挑選電流管理架構　納入各類因素考量 選擇適當的電源管理時，涉及多項設計難題，表1列舉在挑選電源管理架構時，應考量的各種因素。 車載BCM支援多項功能，各種BCM設計需要不同電源管理架構，才能為BCM印刷電路板上的所有積體電路供電。電源管理架構包括LDO電源架構、第一級降壓架構、降壓/升壓架構、SEPIC電源架構、第一級升壓架構。要選用何種電源架構，取決於運作電壓的需求，包括是否在引擎冷啟動或怠速熄火時繼續運作、電壓軌所需數量、每一軌所需電流等等。 電源管理積體電路設計須考量諸多層面，包括電源架構複雜程度、EMI、所產生熱能、電路板空間和成本。可利用創新技術的新電源管理裝置，以減少設計電源管理積體電路的難題。此外，隨著車輛匯流排電壓提高，也必須改善BCM設計，才能在匯流排電壓運作條件下運作。 (本文作者為德州儀器車體電子與照明總經理及系統工程師)