瑞萨的ISSCC论文解决无线充电和汽车网关SoC

上周，IEEE举行了2023年国际固态电路大会（ISSCC）。此次活动实现了70年的里程碑，充满了关于固态电路和片上系统（SoC）进展的演讲和技术论文。

在ISSCC上发表的有趣论文中，有两篇来自瑞萨电子公司，一篇是关于用于无线充电的单片无线功率发射器，另一篇是汽车通信网关SoC技术。

在本文中，我们将研究ISSCC论文中描述的关键创新，并将其纳入当今系统设计的上下文中。

 

单片机无线功率变送器

在ISSCC题为“单片Qi兼容40W无线电力传输控制器，使用RMS线圈电流传感和自适应ZVS，可实现4dB EMI和高达1.7%的效率提高”的论文中，瑞萨公司的工程师描述了一种单片无线电力传输器。

 

瑞萨公司的单片Qi兼容电力传输控制器的框图和技术特征。图片由ISSCC提供。（点击图片放大）

 

该设备测量交流和直流发射机功率，以提高精度和安全性。在演示中，该团队深入研究了具有自适应零电压开关（ZVS）的发射机技术的细节，该技术可以减少电磁干扰（EMI）并提高功率传输效率。Renesas表示，这些功能允许Qi功率接收器（PRx）实现高达15W的无线功率传输，并允许专有PRx实现高达40W的无线电力传输。

瑞萨公司声称，凭借这项技术，它是业内第一个开发出可以直接测量直流和交流输电元件的单片发射机技术。该公司表示，通过这种方式，可以更准确地测量发射功率，为准确检测PTx和PRx功率电平之间的不匹配提供了一种手段。

 

高功率和自适应ZVS

如下表所示，Reneas的设计与最先进的商业产品进行了比较。除了STMicroelectronics的15W器件外，其他芯片的功率限制在5W，而瑞萨提供40W。如果没有自适应ZVS，其他解释无法测量交流功率损失。

重要的是，瑞萨芯片还可以使用五个半桥逆变器处理多达四个线圈。此外，该设备集成了PRx位置感测，以提高空间放置自由度和电压/电流/相位ASK（幅移键控）解调。

 

与其他行业设备相比，瑞萨单芯片Qi兼容无线发射机（顶部）。封装热扫描显示的功率效率（底部）。图片由ISSCC提供。（点击图片放大）

 

如上图中高达40 W的封装热扫描所示，瑞萨设备在41°C以下保持效率。该芯片采用0.18μm BCD工艺制造，芯片尺寸为15.6 mm2｛SSCRIPT｝。就无线电力联盟（WPC）标准而言，该公司表示，它符合WPC-1.2.4规范，并且在与外部安全IC配对时也完全符合WPC 1.3+。

瑞萨表示，ISSCC论文中讨论的技术增强已应用于瑞萨目前可用的一些无线功率发射机IC。

 

转向面向通信的汽车网关

瑞萨今年的另一篇ISSCC论文，题为“33kDMIPS 6.4W车载通信网关处理器实现10Gbps/W网络路由、40ms CAN总线启动和1.4mW待机功率”，描述了汽车E/E（电气/电子）架构如何从中央网关（CeGW）架构方法转变为通信网关（CoGW）架构。本文最后提出了GoGW芯片实现方案。

 

Reneas ISSCC的论文描述了一种未来的通信网关（CoGW）架构，该架构旨在紧密连接所有关键的汽车系统。图片由ISSCC提供

 

正如论文中所解释的，CoGW需要具有联网汽车的云服务。这与CeGW系统中本地汽车ECU之间的通信一起发生。这些新的CoGW需要千兆比特以太网通信和30k DMIPS应用程序处理。

性能问题也变得棘手，因为汽车控制需要控制局域网（CAN）的启动时间小于50毫秒，同时还需要以低于2 mW的备用功率运行以节省电池电量。与此同时，这样的互联系统必须应对网络攻击，例如对云服务的欺骗。

 

一种单芯片CoGW处理器的实现

该论文称，考虑到所有这些，CoGW处理器必须满足所有这些要求，同时避免任何安全和安保风险。因为像软件更新这样的汽车服务是通过空中传送（OTA）进行的，所以这些挑战尤其关键。

 

图为瑞萨公司论文作者制作的测试芯片的显微照片。该器件是在12nm CMOS的一个芯片中制造的。图片由ISSCC提供

 

为了满足所有这些需求，将两个不同的子系统——传统CeGW（控制域）的子系统和高性能应用（应用域）的个子系统——集成到一个芯片上，本文解释道。这有三个主要好处：

1. 通过片上精确控制，了解操作模式，从而优化功率。
2. 通过片上封闭通信将安全风险降至最低。
3. 通过片上紧密互连来减少不同域（协议）之间的多芯片通信开销。

 

据瑞萨称，其团队的CoGW ISSCC论文中展示的技术已被用于瑞萨的R-Car S4车辆通信网关SoC。