芯片，复杂E/E架构进行有限收敛的关键

2007年，德尔福首先提出了电子电气架构的概念。出发点是在功能需求、法规和设计要求等特点约束下，把车内的传感器、处理器、电力分配等涉及到的软件和硬件整合在一起，基于整车层面考虑，为未来不断增加的汽车功能提供基础。德尔福早期的划分逻辑是基于功能划分，后随着技术的发展，整个架构被划分成5大功能域，分别是动力域、底盘域、车身域、智驾域，智舱域。

功能域的分类标准在很长一段时间内得到业内认可。并且在座舱和自动驾驶领域得到了快速应用。

虽然功能域的划分标准解决了分布式架构对软硬件依赖的问题，在单个功能域中实现了一定程度的软硬分离，推动了智能汽车的发展。但随着整车电子电气架构的发展，功能域的划分方向遇到了瓶颈。

◎一是对于方案开发而言，尤其是面对SOA的开发需求，只是做到了单独域控制器的开发，无法从全局角度实现不同域控制器之间的有效复用，协同开发。

◎二是单个功能域需要管理的功能较多，对芯片的性能以及隔离均有较高要求。部分部件还需要满足较高的功能安全等级。因此从整车来看，整体芯片的成本甚至会有所增加。

◎三是不同的功能域对应的感知和执行分布在整车的各个位置，对应的线束无法复用，成本和重量都无法做到最优。

为此，行业开始寻找新的架构解决方案。在2018年，博世提出了从分布式向集中式架构演进的技术路线，更强调算力集中和跨域融合。

随着特斯拉Model 3的推出，其整车OTA的能力大幅领先于其他品牌车型，使得中央+区域的电子电气架构成为行业研究的重点。

■来源：冷酷的冬瓜微博

区域架构的典型结构特点为中央层-区域控制层-分布执行层。中央层采用高算力的计算单元负责整车的计算任务，与具体的执行功能解耦，实现整车层面的逻辑算力集中。区域控制层则主要负责供电以及信号分发。分布执行层负责信号感知和功能执行。

事实上，以上电子电气架构划分方式更多的是提供参考方向，由于各整车企业能力和产品定位不同，目前主流的方案采用的功能域架构+区域架构的混合方案，且方案多种多样。此前联合电子曾表示，目前国内16家整车企业存在19种电子电气架构方案，可见目前架构方案的多样性。

01.

分散的根源在于底层控制器

其实从宏观架构上来看，行业电子电气的方案几乎是趋同的，均是沿着中央+区域架构向着集中式超算平台来演进。

■来源：高通

但在区域控制器之下，即执行控制器方面，则存在很大的不同。这是受多方面因素的影响。

一方面是大部分整车企业车型价格、类型跨度很大，对应的配置跨度也很大，对应底层控制器的功能也非常多样，因此所需的控制器也不相同。

另一方面是相比于顶层控制器强调自研，底层驱动控制器更多来自供应商。不仅是硬件，算法同样来自供应商，不同的供应商之间方案统一的难度也较大。

再者是域融合方案的不确定性及多样性。虽然一致认为域融合方案是趋势，但具体怎么融合以及融合多少功能都存在非常大的不确定性。以电机控制器为例，其功能已经远超于单纯的电机控制，以比亚迪、吉利为代表的企业已经将电源分配、电池管理、热管理等控制也一并实现集成。同样的BCM也是，车窗、车门甚至氛围灯的功能也实现了集成。但融合的方案并不适用于所有平台，以比亚迪电驱动控制器为例，虽然绝大部分车型采用的是集成电机控制、电源控制、整车控制、电池控制等八合一的融合方案，但在海鸥车型中则采用的三合一融合的方案。并且各家融合的方案也不同，如星驱科技多合一融合方案就采用了一颗MCU来控制，而非此前的多MCU方案。

最后则是当前开发节奏很快，近期引发广泛讨论的极氪007半年内迭代了三次。对应的架构迭代的速度也很快，新架构需对之前架构具备一定的兼容性，同时两者也会长期共存。

以上原因就造成了虽然各家电子电气架构看似相同，但实际上差异很大。并且即使是同一家企业，由于车型平台的不同、上市时间的不同，对应的底层控制器方案也就不同。这就造成了在看待底层控制器时，呈现极度分散的趋势。

这也是造成如今电子电气架构复杂多变的核心原因。

02.

芯片是如何让底层驱动控制实现有限收敛的

因为电子电气架构复杂多样的核心原因主要来自于底层控制器，因此以往基于控制器的开发思路就无法快速适应架构的变化。

但从功能角度来看，底层控制器实现的功能并未改变。这也就意味着实现这些功能的芯片并未改变。因此就需要将控制器打开，从其中的芯片着手，确定那些变与不变的芯片。

底层控制器中芯片主要包括MCU、驱动、信号链、电源、通讯、传感器、电子保险丝等。

从受影响程度来看，由于上层域控制器功能的划分，叠加MCU自身性能的提升，底层MCU受到的影响最大。

反观模拟类芯片主要为实现功能而服务，影响则相对较小。其升级方向和要求主要与自身所需实现的功能强相关。

因此做好模拟芯片的方案选型，便能够一定程度上改善电子电气架构方案收敛。因此芯片的重点便放在驱动、信号链、电源、通讯、传感器、电子保险丝等芯片的方案选型上。

驱动芯片主要包括马达驱动、LED驱动、高低边驱动、多通道预驱等。这其中LED驱动和马达驱动受功能的影响最直接，也是方案的关键。LED驱动详见NE时代早期文章《多变的车灯，绕不开的LED驱动芯片》

高低边驱动是根据MOS管的位置来区分的。高边驱动开关MOS位于电源和负载之间，低边驱动开关MOS位于负载和接地之间。器件选择来看，高边驱动需具备一定的耐压和大电流承受能力，因此多采用阻断电压高的PMOS器件。低边驱动需求的电压低，因此多选用NMOS器件。对比来看，由于NMOS器件导通电阻低，电路简单，低边驱动在成本方面存在一定优势。

但在汽车控制器中，低边驱动的优势并不是绝对的。以电池包方案为例，由于低边驱动位于负载和接地之间，负载和通信共地，因此一旦被关断，就意味着电池端与系统端不再具备通信能力。若想继续通信，就需要增加隔离通信。这样一方面会增加系统功耗，另外也会增加系统成本和方案复杂性。正因如此，在汽车应用中，低边驱动更多的被用于对成本敏感，但对通信要求较低的领域中。在车灯、阀门、泵、电机等负载的驱动中依然选用的是高边驱动。

除了需具备一定的耐压和大电流承受能力外，高边驱动还具备快速开关速度、低导通电阻和高可靠性。

未来的发展趋势也是围绕提高开关效率和降低导通电阻方向来展开，以降低热损耗。同时还需要具备功能安全等级的要求，即增加智能诊断和保护功能。

以纳芯微NSE34xxx/NSE35xxx高边开关系列产品为例，其提供1/2/4通道选择，提供同时兼容PSSO-16/PSSO-14的封装选择，导通电阻范围横跨8mΩ至140mΩ，具备行业领先的带载能力和完善可靠的诊断保护功能，适用于驱动车身BCM等系统中各类传统的阻性、感性和卤素灯负载，同时也充分适配区域控制器ZCU中一/二级配电下常见的大容性负载。

马达驱动是专门针对各类电机的专用驱动控制芯片，用电信号对不同类型的电机进行控制和驱动。在车身应用中，主要用于汽车区域控制器、热管理系统、汽车风机、水泵和油泵、电动尾门、座椅等场景。根据电机类型的不同，马达驱动芯片主要可以分为直流有刷电机驱动、直流无刷电机驱动和步进电机驱动。

其中直流有刷电机驱动芯片主要关注的指标有工作电压和最大耐压、输入控制方式、输出电流、电流调制和采样功能、保护及反馈功能等。

未来的升级趋势也基本上围绕这些指标来展开，如提升其最大耐压和最大峰值电流，集成更多的保护功能等。

以纳芯微NSD83xx多路半桥驱动系列芯片为例，其最大耐压为40V，覆盖6~12路半桥输出，内部集成多路PWM调制器，并且集成多种智能负载诊断功能，帮助车机系统判断负载连接状态，如果出现断线或者短路情况，外部MCU可以通过芯片内部寄存器获取独立通道的报错信息。非常适用于域控或者HVAC风门控制电机等应用。

■来源：纳芯微

此外，汽车头灯、抬头显示位置调节、HVAC风门等应用则采用步进电机驱动，从而实现更精准的位置控制，针对这些应用，可以选择步进电机驱动芯片进行适配。

以纳芯微步进电机驱动NSD8381为例，其不仅集成了驱动级MOS和丰富的负载诊断功能之外，还支持最高1/32可编程微步模式，可编程衰减模式、PWM频率展波、压摆率调节、无感堵转检测、集成串行外设接口(SPI)、过热报警及关断等特性。非常适用于汽车头灯步进控制、抬头显示位置调节电机、HVAC风门电机以及各类阀门的驱动控制。

■NSD8381功能框图，来源纳芯微官网

此外，在功能安全的要求下，马达驱动也需要满足ASIL-B或者ASIL-D的功能安全等级。

如果马达芯片集成在电机端，则需要考虑集成标准化，如将MCU、CAN通讯、LIN通讯、电源芯片等集成在一颗SoC中，以方便选用。这尤其在热管理领域中比较常见。如纳芯微NSUC1610便是由ARM® Cortex M3处理器、LIN通讯和MOS组成的SoC。

信号链芯片主要包括线性产品、数据转换器和接口芯片三大类。其中线性产品主要包括运算放大器、特殊放大器、比较器，数据转换器包括ADC、DAC，接口芯片包括标准接口产品、电路保护、隔离和电平转换器。

信号链芯片的技术发展方向为更高集成度、更高精度、低噪音检测、更高性能、更低功耗、更小尺寸、更高速信号传输方向。关注的指标主要有采样精度、分辨率、信噪比、线性度、频率响应、功耗、温度范围与稳定性、封装尺寸、接口兼容性、电压检测精度、开关内阻、检测电流误差、失调电压等。

以运算放大器为例，其基本参数包括放大倍数、带宽、输入阻抗、输出阻抗、失调电压等。此外还包括偏置电流、共模抑制比、温漂等参数。尤其是共模抑制比（CMRR），该值是运算放大器对差模信号的增益与对共模信号增益的比值，越大意味着抗干扰能力更强。

■纳芯微NSOPA905x共模抑制比，来源：纳芯微

对于不同的控制器，对信号链芯片的要求也不一样，比如在底盘CDC电磁阀的采样中，便重点对电流采样的精度有较高的要求。在自动驾驶相关的控制器中，同样要求高精度的电流采样能力。

此外，在新能源汽车中，还需关注隔离芯片的应用。这是因为新能源汽车动力部分采用的是300V以上的高电压平台，为保护控制器避免被高电压击穿失效，因此便需采用隔离芯片防止高压对低压控制器的破坏。常见的技术类型包括光耦隔离、磁隔离和电容隔离，三者在使用过程中并无明显性能差异。

隔离芯片的要求主要是高可靠性和长寿命，具备较高的隔离电压能力以及电磁兼容性，同时还需具备不错的信号传输能力。具体来看，目前车用隔离芯片耐压能力普遍可以做到5kVrms，传输速率可以达到150Mbps，信号延迟在10ns左右。

■来源：《2023中国新能源汽车高压控制器芯片》白皮书

隔离芯片的发展趋势主要体现在高通道数、传输速率以及智能化的要求。高通道数即在一个封装内集成更多的通道，以此来降低组件的数量和复杂程度。传输速率主要是应对如高阶智驾对实时性响应的需求。智能化则是隔离芯片需要具备可编程，以满足灵活应用的需求。此外，也是由于智驾技术的推动，隔离芯片在未来也需要满足功能安全的要求。

在不同的应用场景中，隔离芯片也会与其他芯片一起实现集成。如在电驱动中，隔离芯片与栅极驱动芯片集成。在高压控制器中，隔离芯片与CAN收发器实现集成，形成隔离接口。也可与放大器、ADC等信号链芯片集成，实现隔离采样功能。

除隔离信号外，隔离器件也可以用作固态继电器。相比于机械继电器，固态继电器内部没有机械线圈，因此其开关速度、噪音以及抗振动能力都优于机械继电器。虽然固态继电器目前成本要高于机械继电器，但凭借其性能优势已经开始在新能源电池包中得到应用。

目前固态继电器多基于光耦隔离技术，其优势在于无电磁干扰问题，但存在光衰现象，性能随着时间推移会有所退化。纳芯微固态继电器NSI7258采用的是电容隔离的技术方案，重点优化了EMI性能。其在单板无磁珠的条件下即可轻松通过CISPR25 Class 5测试。耐压方面测试方面，在1分钟的标准雪崩测试中，NSI7258可耐受2100V的雪崩电压和1mA的雪崩电流。

电源芯片存在于汽车每个控制器中，一方面将12V电压转换为5V电压，一方面负责为控制器提供稳定的电力供应。目前常见的电源管理芯片主要有两种，DC/DC转换器和LDO线性稳压器。电源管理芯片的主要关注点是效率、尺寸和成本。对于DC/DC和LDO而言，DC/DC还需要关注瞬态响应，电磁干扰等，LDO则需要关注电源抑制比（PSRR）、噪声（Noise）及最小压差等。

根据应用的功能不同，电源管理芯片的侧重点也有差异，比如在一级供电电源中，需要严格的控制功耗。如果负载比较复杂多样，则需要具备优秀的热管理性能和可靠的保护机制。如果负载为对电压波动比较敏感，则需要具备出色的滤波和抗噪性能。

在通讯方面，底层控制器以CAN、LIN通讯方式为主。CAN通讯主要用于长总线和多个节点的应用，LIN通讯是单线通讯协议，主要用于低速、低功耗的场景中，如车内照明、空调控制等。

在传输速率方面，经典CAN通讯最高支持1Mbps，CAN FD最高支持2Mbps，CAN SIC最高支持5-8Mbps，CAN XL器件级最高可达20Mbps 。LIN通讯中，其传输速率通常为20 kbps。

对于CAN通讯而言，由于需要具备多节点，长距离高速通讯，因此除了通信速率外，通信的稳定性和可靠性也非常重要。如果稳定性和可靠性不足，则无法发挥最大的通讯速率，需要降速处理。

纳芯微CAN SIC芯片NCA1462-Q1采用了自研的振铃抑制功能，即使在星型网络多节点连接的情况下，依旧能够减少CAN总线中的信号反射，拥有良好的信号质量。

■纳芯微NCA1462-Q1通讯波形，来源：纳芯微

随着集成技术的发展，通讯芯片也呈现出一些集成化的趋势，比如在热管理中与电源、MCU、驱动集成，在高压控制器中与隔离芯片集成等。

传感器主要指集成在PCB中的传感器，包括电流传感器、压力传感器、位置传感器、轮速传感器、温度传感器等。

由于传感器是集成在PCB上的，因此首先需要考虑的是传感器的小型化和与通用表面贴装技术封装的兼容性。同时，传感器还需要确保电气性能与PCB上其他元器件能够无缝兼容，并且拥有高灵敏度和精度，能够精确捕捉并传输数据。另外，由于电子元件对高温环境比较敏感，传感器还需要采用耐高温封装材料，并且还需要融入温度补偿策略，以确保满足车规级，在极端环境下仍能够稳定的运行。此外，为应对车载环境，还需具备一定的防水、防尘等特性。如纳芯微NST1001温度传感器可在在-50℃至150℃的温度范围内支持±0.2℃的最大精度,以及0.0625℃分辨率，并且无需借助系统校准或软硬件补偿。NSM1013 霍尔锁存器支持的温度范围是-40℃至150℃。

与传统保险丝相比，电子保险丝（eFuse）采用功率半导体开关，具有可以重复使用，反应速度快、自动恢复、体积小等优势。并且还可以提供保护和电路检测功能，以提升整个电路的功能安全等级，尤其是在自动驾驶相关的控制器中，非常关键。

■来源：东芝电子

电子保险丝主要的评价指标包括流诊断精度、静态功耗、低功耗输出能力、通讯速率等。

03.

从芯片出发后意味着供应链也将收敛

明确芯片IC的职能后，后续只需要按照控制器所有完成的功能进行灵活的组合就可以。

但相比于原控制器管理，芯片虽然功能明确，但种类多样，也就是料号繁多。并且不同的料号对应的供应企业也较多。

因此和原来控制器着手不同，从芯片切入后，开发过程中面对的物料就会成倍数增加。事实上一台车需要大约100多台控制器，而上述的芯片虽然从分类上看似简单，但考虑到芯片的规格、类型不同，所需的数量远超1000颗。是控制器数量的数十倍。

所以也就带来了新的问题？如何有效的去管理芯片供应链。

以往如安富利、大联大、艾睿电子等芯片分销企业建有一套的完整的供应链分发机制，下游客户可以根据自身的需求去寻找和管理对应的芯片。

但对于汽车客户而言，经历过缺芯危机后，愈发注重芯片供应的稳定。由于主流车企单一客户需求量较大，因此整车企业与芯片原厂之间的合作更加紧密。

另外，由于域融合架构的发展，整车开发周期的加快，新的芯片方案要求纷纷涌现，典型的如上文中热管理中的集成式芯片方案需求。

因此从芯片入手后随之而来的便是供应链开发问题，汽车类客户并不希望为单独芯片企业投入供应链开发资源，这也是为什么2018年之前国产芯片企业很难进入汽车领域的主要原因。外资企业已经有稳定的供货，并且有丰富的产品提供给客户选择，客户在开拓新供应商方面并不积极。

国产芯片企业在经历行业缺芯危机后已经快速成长。翻看各家成功的经验，其实最初都是通过单一产品切入，通过pin to pin的产品方式来实现国产替代，以此来提升汽车领域占比。

■2016年10月，纳芯微推出首款汽车芯片NSA9260/NSC9260。来源：纳芯微

如今缺芯危机已经过去，国产企业和外资企业重新站在了同一起跑线上，开始直面竞争。在NE时代早期文章《汽车芯片的「攻坚战」，才正式拉开帷幕》中对比了国内主流汽车芯片的汽车领域占比，其中纳芯微占比最高。根据纳芯微发布的2024年半年度报告，其汽车电子业务的营收占比已经达到了33.51%，2024年上半年汽车领域出货量1.33亿颗。

除了产品稳定性、价格等产品指标外，产品丰富度也成为一个关键的指标。因此这也是近年来国产芯片企业发展的一个重要方向。