元器件廠商談汽車電子的新動(dòng)向

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：互聯(lián)性、無人駕駛以及程度越來越高的電氣化是汽車的發(fā)展趨勢(shì)。為此，本媒體邀請(qǐng)國內(nèi)外芯片巨頭介紹了汽車業(yè)最新的趨勢(shì)動(dòng)向。

互聯(lián)性

5G通訊為車聯(lián)網(wǎng)開拓道路

　　首先，5G通信這一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)現(xiàn)已開始準(zhǔn)備投入實(shí)用，預(yù)計(jì)將成為2020年以后社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基石。2020年將在原4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的一部分區(qū)域試運(yùn)行，今后，會(huì)以亞洲為中心不斷擴(kuò)充適用區(qū)域。

　　5G通信基礎(chǔ)設(shè)施不僅可以讓我們體驗(yàn)到比目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)更加快捷的速度，同時(shí)汽車也將作為“車聯(lián)網(wǎng)”或“聯(lián)網(wǎng)汽車”等某種移動(dòng)終端而互聯(lián)使用。除此之外，不局限于移動(dòng)體，它也將是物聯(lián)網(wǎng)(車聯(lián)網(wǎng))的大動(dòng)脈。

　　5G通信基礎(chǔ)設(shè)施可實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)信息無延遲即時(shí)通信，可使汽車上搭載的毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)(LiDAR)等傳感器收集到的信息瞬間轉(zhuǎn)換為地圖信息或交通擁堵信息，從安全駕駛，到改善擁堵，為最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛提供切實(shí)保障。

　　其次，今后汽車上將會(huì)搭載很多傳感器以確保安全駕駛，新能源電動(dòng)車也越來越普及，汽車正在逐步實(shí)現(xiàn)電子化管理。為此，汽車上將會(huì)需要更多進(jìn)行控制和信息處理的高性能半導(dǎo)體。今后伴隨著這些信息通過網(wǎng)絡(luò)將可以實(shí)現(xiàn)無線通信，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)云端信息處理的半導(dǎo)體也有高性能化的需求。面向車載的半導(dǎo)體領(lǐng)域也具有非常可觀的市場前景。

　　另外，為確保大量地、穩(wěn)定地接受這些大容量數(shù)據(jù)信息，搭載在終端機(jī)上的小型、高性能的天線和過濾器等與射頻(RF)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品，也亟需技術(shù)革新。

　　針對(duì)5G基礎(chǔ)設(shè)施，京瓷正在進(jìn)一步研發(fā)分別面向基站和終端的高效解決方案。

　　具體來說，面向基站方面，京瓷可提供高可靠性的電子元件，有滿足綜合頻率穩(wěn)定度在7 ppm以下的高精度TCXO、高頻VCXO、高容量MLCC以及窄帶間精準(zhǔn)濾波的SAW元器件。另外，還提供可用于光通訊連接部的高可靠性的氣密性封裝陶瓷管殼。

　　面向終端方面，除了與基站相同的TCXO、MLCC、SAW等電子元器件之外，還提供利于線路間以及各個(gè)模塊內(nèi)部高可靠性連接的連接器。以及適用于封裝攝像頭和MEMS等傳感器類產(chǎn)品的高可靠性、環(huán)境耐適性優(yōu)良的陶瓷封裝管殼和適用于車載半導(dǎo)體封裝的有機(jī)封裝基板。

　　另外，為了更好的保障行車安全，京瓷提供HUD專用液晶顯示屏，并且正在進(jìn)一步研發(fā)光學(xué)設(shè)計(jì)和軟件的整套解決方案。

安森美汽車電子解決方案

　　自上世紀(jì)70年代以來，為應(yīng)對(duì)石油禁運(yùn)，減少對(duì)石油的依賴性，節(jié)能減排就成為汽車業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的。汽車中電子成分不斷增加。環(huán)境及能源法規(guī)促進(jìn)電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車蓬勃發(fā)展。

　　以內(nèi)燃機(jī)作為唯一動(dòng)力來源的傳統(tǒng)汽車，正在實(shí)現(xiàn)汽車功能電子化的好處，以提高整體汽車燃油效率。輕度混合動(dòng)力和微混合動(dòng)力汽車越來越流行，尤其是內(nèi)置 48 V 動(dòng)力配件的汽車。除了支持 12 V 系統(tǒng)無法支持的高功率負(fù)載(>10 kW)外，添加 48 V系統(tǒng)的另一個(gè)好處是，由于使用較小的儀表接線，車輛配電系統(tǒng)的損耗減少。結(jié)合現(xiàn)有 12 V 系統(tǒng)與 48 V 系統(tǒng)生產(chǎn)雙電壓車輛，用作實(shí)現(xiàn)潛在的全面 48 V 車輛的橋梁，為轉(zhuǎn)換到 48 V 鋪路。

　　在新能源汽車中，要求電池管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高能效和高功率密度、小尺寸、低成本，同時(shí)符合AEC車規(guī)、ISO26262 汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)等標(biāo)準(zhǔn)以提供更高可靠性。

　　安森美半導(dǎo)體擁有汽車功能電子化所需的全部核心技術(shù)，提供寬廣的汽車級(jí)電源管理產(chǎn)品陣容，包括IGBT、高壓門極驅(qū)動(dòng)器、高壓MOSFET、高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器等，且正開發(fā)下一代半導(dǎo)體寬禁帶產(chǎn)品和技術(shù)，包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，以提高電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力/插電式混合動(dòng)力汽車中電源管理的功率密度和能效，降低電磁干擾(EMI)、減小系統(tǒng)尺寸，如最新推出的SiC二極管1200 V FFSHx0120和650 V FFSHx065提供零反向恢復(fù)、低正向電壓、與溫度無關(guān)的電流穩(wěn)定性、極低漏電流、高浪涌電容和正溫度系數(shù)，包含一種提高可靠性和增強(qiáng)穩(wěn)定性的獨(dú)特專利終端結(jié)構(gòu)，滿足強(qiáng)固性要求，并在汽車應(yīng)用惡劣的電氣環(huán)境中可靠地工作。

Molex：HSAutoLink II互連車輛技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)

　　如同在許多其他的網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域一樣，汽車的網(wǎng)絡(luò)互連需要越來越多的高帶寬資源，其吞吐量已經(jīng)達(dá)到了10～20 Gbps 的水平。

　　汽車行業(yè)需要采用多種高速介質(zhì)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)車輛的網(wǎng)絡(luò)互連，因此，行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)包括互操作性以及多協(xié)議的支持。典型應(yīng)用包括車載信息娛樂系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)、無線電以及導(dǎo)航輔助設(shè)備。此外，對(duì)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的需求也在不斷上升，而且自動(dòng)駕駛汽車需要包含雷達(dá)和激光雷達(dá)單元在內(nèi)的形形色色的攝像頭和導(dǎo)航傳感器設(shè)備。

　　HSAutoLink II互連系統(tǒng)

　　在持續(xù)不斷的為未來的互連移動(dòng)提供支持的過程中，Molex開發(fā)出了一個(gè)互連車輛技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，其中包含1 G/10 Gbps的汽車以太網(wǎng)絡(luò)解決方案，完全整合了可靠的信號(hào)完整性、優(yōu)先級(jí)劃分、可擴(kuò)展性以及安全性。

　　Molex和羅森伯格最近簽署了一份雙重來源協(xié)議，使Molex可以基于羅森伯格的HFM?設(shè)計(jì)來生產(chǎn)高速的Mini Fakra汽車同軸連接器。羅森伯格的HFM Mini Fakra系統(tǒng)可使快速數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到20 Gbps的速率，設(shè)計(jì)可供一系列現(xiàn)有及未來的汽車應(yīng)用使用，包括ADAS、導(dǎo)航、信息娛樂系統(tǒng)，以及智能互連車輛等。

　　互連車輛和自動(dòng)駕駛汽車中日益增長的帶寬，需要嚴(yán)格的安全性，這就對(duì)可以操作多個(gè)設(shè)備、屏幕及攝像頭的穩(wěn)健的基礎(chǔ)設(shè)施提出了要求。HFM Mini Fakra 連接器可提供最高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且節(jié)省多達(dá) 80% 的安裝空間，同時(shí)，與傳統(tǒng)的 Fakra 實(shí)施相比，還可顯著的減輕重量。

　　對(duì)于車載互連應(yīng)用，Molex還提供極具成本效益的HSAutoLink II互連系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率超過2.0 Gpbs，并且能夠?yàn)椴煌耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議提供支持。

無人駕駛

傳感器融合是無人駕駛技術(shù)的大趨勢(shì)

　　無人駕駛的大趨勢(shì)還是多傳感器融合，結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能做出正確的決策。目前來看，還是以降低場景的維度來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品落地。通過技術(shù)的不斷迭代，成本的下降，法律法規(guī)的完善，最終實(shí)現(xiàn)開放道路下無人駕駛的美好愿景。

　　與普通車輛相比，自動(dòng)駕駛車輛的定位精度重要性極高，并且需要能夠識(shí)別“行駛在哪個(gè)車道”，而不是“正行駛在什么道路”。通常一條車道的寬度只有2.7米到4.6米，允許的誤差極小。因此自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)離不開高精度定位，傳感技術(shù)能夠通過電子技術(shù)進(jìn)行精確控制，這對(duì)于汽車安全系統(tǒng)必不可少。為了實(shí)現(xiàn)在所有條件下都能安全運(yùn)行的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，需要優(yōu)異的車輛位置特定精度。慣性傳感器能夠提供可靠的車輛位置數(shù)據(jù)，即使在其他傳感器誤檢測的嚴(yán)重情況下也是如此。同時(shí)，慣性傳感器在低速情況下的指向性要優(yōu)于GPS。

　　村田長年從事車載用途產(chǎn)品的研發(fā)，現(xiàn)有的許多傳感器產(chǎn)品可以立即應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車輛的研發(fā)生產(chǎn)。村田生產(chǎn)的慣性傳感器即使在自動(dòng)駕駛車輛中也能夠發(fā)揮可靠的安全性能。其中，陀螺儀一體化加速度傳感器已累計(jì)為汽車行業(yè)提供5000萬單位的產(chǎn)品。

電氣化

新能源汽車SiC解決方案

　　新能源汽車(EV)“三電”的痛點(diǎn)在于行駛距離、電池空間和高可靠性。ROHM憑借SiC(碳化硅)來應(yīng)對(duì)這些難題。

　　ROHM的SiC功率元器件主要應(yīng)用于EV的主逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器、電動(dòng)壓縮機(jī)等在新能源汽車中重要性凸顯的大電流區(qū)域，需要更穩(wěn)定高效率的元器件。

　　使用SiC元器件能讓設(shè)備體積更小，功耗更低。因具備高耐壓、高耐熱特性，使在小空間和嚴(yán)酷環(huán)境下的安裝成為可能。應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，可大幅降低油耗，擴(kuò)大車內(nèi)空間，從而有更多空間設(shè)置更大的電池，有效提高行駛距離。

　　ROHM在EV方面的解決方案包括ROHM針對(duì)EV專用單元的綜合解決方案和48 V電源系統(tǒng)。

　　EV專用單元的綜合解決方案

　　EV專用單元需要對(duì)12 V系列低電壓電路和電池/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高電壓電路進(jìn)行絕緣，進(jìn)而要求較高的可靠性、小型化、低功耗。ROHM通過SiC功率元器件、IGBT、SJMOSFET等功率元器件對(duì)其作出貢獻(xiàn)。并且，提供與功率元器件控制IC及電源、變壓器、二極管、檢測電流的分流電阻器等各種通用產(chǎn)品配套的解決方案，以此降低EV專用單元的功耗、提高效率、使之更小。通過提供整體解決方案，為EV單元的小型化、高效率化做出貢獻(xiàn)。

　　48V電源系統(tǒng)

　　輕度混合動(dòng)力汽車采用比以往12 V電源傳輸效率更高的48 V電源系統(tǒng)。另一方面，配置在車輛各個(gè)部位的ECU需要較低的3.3 V驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)而要求更低的2.5 V的驅(qū)動(dòng)電壓。ROHM挑戰(zhàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的“單芯片化”這一高難度關(guān)口，開發(fā)出了超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control”。搭載此項(xiàng)技術(shù)，可將開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間縮短到9 ns。

　　另外，ROHM通過第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)德國萊茵TUV取得了汽車行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)“ISO26262”的開發(fā)工藝認(rèn)證。這意味著ROHM面向車載領(lǐng)域的元器件開發(fā)工藝被認(rèn)定為可滿足該標(biāo)準(zhǔn)中的最高安全等級(jí)“ASIL-D”。

新能源汽車的功能安全

　　功能安全是是新能源汽車的電池管理系統(tǒng)(BMS)的核心挑戰(zhàn)和目標(biāo)。功能安全國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，現(xiàn)已成為歐美國家在新能源汽車領(lǐng)域逐步普及的標(biāo)準(zhǔn)。中國新能源汽車企業(yè)及核心零部件企業(yè)能否快速跟上功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，是當(dāng)下一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

　　在新能源汽車中，當(dāng)傳統(tǒng)機(jī)械部件變成了電子部件，且搭載大量的電池，就對(duì)功能安全提出了更高的要求。ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)BMS產(chǎn)品的方案、架構(gòu)、核心零部件都提出了嶄新的要求，是BMS方案商和半導(dǎo)體供應(yīng)商在未來3-5年要不斷跟隨的標(biāo)準(zhǔn)。

　　除了可靠性，也對(duì)功能安全方面提出了挑戰(zhàn)。電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)測量精度也是未來提出的挑戰(zhàn)，包括電池系統(tǒng)電壓、電流、系統(tǒng)絕緣、SoC、SOH、SOP等系統(tǒng)參數(shù)的檢測精度。BMS系統(tǒng)需要準(zhǔn)確估測動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)，單體電池間的均衡。電動(dòng)車將以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來源，然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時(shí)電量即存在些微差異，且隨著操作環(huán)境、老化，不同工況等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全隱患。因此，透過BMS能準(zhǔn)確量測電池組使用狀況，保護(hù)電池不至于過度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計(jì)算電池組的剩余電量并轉(zhuǎn)換為駕駛可理解的續(xù)航力信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)控電池組的健康參數(shù)，確保動(dòng)力電池可靠安全運(yùn)行。

　　RH850+ISL78714系統(tǒng)級(jí)別高功能安全解決方案

　　電池電壓、電流信息同步采樣檢測。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)菊花鏈連接可靠性高，對(duì)電動(dòng)車復(fù)雜工況，干擾環(huán)境大的情況下，對(duì)暫態(tài)沖擊耐受強(qiáng)。不僅支持板間的變壓器隔離模式，還支持板內(nèi)的電容隔離模式。

　　其中模擬前端ISL78714提供了14通道采樣，每個(gè)通道+/-2 mV采樣精度。電池電壓采樣和溫度端口采樣，都是ASIL C級(jí)別。單CELL輸入通道可以支持+/-5 V的測量范圍，不僅僅可以承受，還可以用來檢測連接銅條上的正負(fù)向壓降，感知BUS BAR的松動(dòng)，氧化異常。多達(dá)40多項(xiàng)故障檢測機(jī)制，有效的檢測故障和提前告警，為電動(dòng)車的安全運(yùn)行，保駕護(hù)航。