電池技術的最新進展，再加上環保和節能計劃，已加速了許多家用電器的無繩化發展。盡管移除電源可以為用戶提供更好的防觸電保護，但不能完全減輕風險，因此，功能安全仍然需要成為系統設計的核心原則。

本文探討了如何在家用電器中應用功能安全性，并探討了采用ASIC與分立組件的方式進行連接的經濟轉折點。

針對家用電器的安全標準和法規的最新發展和增強包括用于人用設備的IEC 60335，用于無人值守的IEC 60730和用于鋰離子電池的UL 1642。這些標準不僅凸顯了這些設備遵守保護人員和財產免受危險和損壞的基本原理的日益重要的意義，而且使它們與工業，汽車，醫療和航空航天系統保持一致，在這些系統中，功能安全一直是一個熱門話題。

管理電池和控制電機

便攜式電池供電的設備通常使用鋰離子技術作為其首選電源，因為它具有良好的能量重量比，是鎳鎘和鉛酸對應物的五倍之多。鋰離子電池還具有更多的工作充放電循環次數。

但是，在使用鋰離子電池時要考慮一些注意事項，它們是敏感的，需要保持在其充電和放電曲線的邊界內。它們不容許過度充電，因為過度充電會縮短使用壽命。在最壞的情況下，由于內部熱失控過程會導致火災或爆炸，其中電池溫度會升高到鋰熔點（180.5°C）。

在低溫下為鋰離子電池充電也是一個問題。低于0°C時，會發生內部電鍍現象，這會損壞電池并損害電池安全性。

通過主動監視電池的溫度，電壓和電流，并在達到臨界極限之前激活保護機制，可以解決上述問題。例如，如果我們查看便攜式吸塵器或無繩砂光機，就會發現對電池管理，電機速度控制和環境控制都需要。為了解決這個問題，工程師可以采用分立組件方法，也可以開發ASIC。

典型的電池/電機系統

如果我們首先看一下電池管理器的元件，則需要高精度的電壓感應來確定鋰離子電池的充電狀態和溫度。它還通常需要高達16位分辨率的ADC來監視可能危及產品安全性的緊急情況，例如過載或過熱。

此外，需要具有內置閃存的MCU來處理鋰離子電池的監控，并增加其他智能，用戶界面，調試，通信和輔助功能。

現在我們來看一下馬達。對于需要速度控制的電動機，傳統的解決方案是帶有PWM驅動器的無刷三相電動機。但是，此架構中控制電子設備的成本將其限制在基于電源電壓的高端系統上。

轉向低壓電池操作導致了另一種范例，該范例利用了非常高效的低壓功率MOS開關，并使橋式整流電路得以集成。這帶來了一個額外的好處，即消除了對高壓電網隔離的需求。

圖1此框圖顯示了可促進便攜式設備中電池管理和電機控制功能的ASIC。資料來源：EnSilica

ASIC與分立組件

ASIC已因成本高昂而聞名。這可能是幾年前的事了，ASIC的媒體報道通常通過關注由Google，Tesla和Apple以及為Google，Tesla和Apple開發的大型芯片來增強聲譽。這些ASIC使用領先的技術，這些技術要求單個掩膜集需要大量資金，而設計成本卻高達數億美元。

但是，大多數應用程序不需要前沿技術，對于電池供電的設備來說確實如此。取而代之的是，電池供電的設備往往是簡單，小巧和低功耗的設備。因此，通過采用雙極性CMOS-DMOS（BCD）等更具成本效益的技術，該技術可將電源，閃存以及模擬和數字功能集成到單個設備中，從而可以大幅減少掩膜和設計費用。

高壓MOSFET具有不同的掩膜選項和高達80V的額定電壓，可為基于鋰離子電池的電機控制提供ASIC硅解決方案。根據所需的電動機功率，也可以將驅動級集成到同一模具中。

BDC ASIC實現中的其他功能也幾乎無需額外成本就可實現，包括驅動器擺率控制，以實現更好的EMC性能，電橋短路檢測和關斷，芯片溫度監控以及負載電壓和電流監控。

CMOS專用生產掩模組的成本在28 nm時約為130萬美元，而在55/65 nm時約為40萬美元，而對于180 nm而言，成本則降至不足10萬美元（圖2）。隨著流程變得更加成熟，這些價值將繼續降低。例如，一個55/65 nm的掩模組大約是剛引入時的成本的三分之一。

圖2使用成熟的技術可以顯著降低掩膜套件的成本。資料來源：EnSilica

當然，該過程并不是設計ASIC的唯一成本隱患。IP許可，開發和認證成本也需要納入ROI計算中。

作為合理的經驗法則，如果您希望（a）實現更小，更高效，更難以模仿的設計，并且（b）每個產品線的電子組件支出超過200萬美元。

圖3ASIC還是COTS？這是最近匿名的現實世界中的安全關鍵設備的ROI分析。資料來源：EnSilica

最小化成本

因此，無論您是在內部設計還是使用定制的ASIC開發人員，都可以使用三個黃金法則來降低NRE成本并提高ROI。

規則1：做好計劃

良好的規范對于成功至關重要。至關重要的是，準確了解市場上現有的產品以及客戶期望或想要的獨特功能或用戶體驗。另一種選擇是缺少功能的自定義ASIC，或者指定過多的自定義ASIC。兩種方式都將失去與標準零件相比的優勢。

規則2：使用經過驗證的IP塊

就像使用成熟的工藝將大大降低掩模板的成本一樣，使用經過驗證的IP模塊也可以使工程師更快地實現定制ASIC解決方案，并顯著降低出錯的風險。

規則3：重用您的軟件（和ASIC）

軟件開發對項目NRE和上市時間均產生重大影響。確實，工具和軟件的開發可能是您在產品生命周期中將進行的最大投資，因此，重復使用現有的應用程序和軟件庫可以極大地幫助控制項目成本并縮短產品上市時間。

還應注意，如果可以在多個產品線中使用ASIC，則每個設備的NRE成本會進一步降低。

編輯：hfy