直接胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的5大挑戰(zhàn)

美國新頒布的公路安全法規(guī)，使胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為汽車行業(yè)發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域，其中直接胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將成為主導(dǎo)技術(shù)。本文將重點(diǎn)放在直接胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，討論了中國汽車電子工程師們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，主要包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統(tǒng)成本以及RF設(shè)計(jì)。

美國新頒布的公路安全法規(guī)，使胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)一躍而成汽車行業(yè)發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域。2005年4月，美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)發(fā)布的最終規(guī)定要求，總重在4563公斤或以下的車輛(單軸雙輪的車輛除外)都需要安裝一套TPMS。到2007年9月1日，所有生產(chǎn)商生產(chǎn)的輕型車輛都必須符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。美國每年大約生產(chǎn)1700萬輛車，這為TPMS創(chuàng)造了一個(gè)飛速增長的市場(chǎng)。據(jù)估計(jì)，到2008年，TPMS在全球車市的滲透率將超過30%。

圖1：TPMS的輪胎模塊組件框圖。

值得注意的是，這個(gè)法規(guī)在技術(shù)上對(duì)直接和間接系統(tǒng)的態(tài)度保持中立。但市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的預(yù)測(cè)表明，直接系統(tǒng)技術(shù)將成為主流技術(shù)，2008年后所占份額將超過95%。直接TPMS在每個(gè)輪胎內(nèi)都設(shè)有胎壓傳感器，這些傳感器通過射頻(RF)信號(hào)將壓力和其他信息傳送到中央接收器里。而間接TPMS沒有壓力傳感器，需要依靠ABS系統(tǒng)內(nèi)的速度傳感器來偵測(cè)和比較輪胎轉(zhuǎn)速的不同。直接TPMS成本雖然更高，但是該系統(tǒng)有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，例如具有更高靈敏度，并能夠?qū)崿F(xiàn)零速度測(cè)量和多輪胎虧氣情況探測(cè)。

本文把重點(diǎn)放在直接TPMS上，并將討論工程師們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，主要包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統(tǒng)成本以及RF設(shè)計(jì)。

組件選擇

TPMS的輪胎模塊包含的組件有MEMS壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速計(jì)、微控器、RF電路、天線、LF接口、振蕩器和電池。汽車制造商要求直接TPMS的電池能維持十年以上。電池的運(yùn)行溫度必須為－40°C到125°C，重量輕、體積小并且電量要大。由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號(hào)電池。新型紐扣電池能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的550mAh電力，重量僅有6.8克。

除電池外，要達(dá)到十年以上的操作壽命，組件必須在低功耗的同時(shí)具有集成功能。英飛凌的SP30就是這類集成產(chǎn)品，它將壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速計(jì)、LF接口、微控器和振蕩器集成為一個(gè)部件。完整的輪胎模塊系統(tǒng)僅有三大組件――SP30、RF發(fā)射器芯片(如英飛凌的TDK510xF)和電池。

功耗管理

當(dāng)模塊上市后，更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。由于這一限制，功耗管理對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說就顯得尤為重要了。減少功耗有4種方法。其中之一，就是上述的選擇低功耗組件并使用具有集成功能的組件來減少組件數(shù)量。

第二個(gè)方法就是利用軟件。高效算法可調(diào)節(jié)發(fā)射和測(cè)量頻率。在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，高效算法可能要考慮這些問題：數(shù)據(jù)發(fā)射和測(cè)量的頻率是多少？發(fā)送重復(fù)數(shù)據(jù)是否必要？系統(tǒng)顯示模式是什么？RF發(fā)射的功耗最大，延長發(fā)射間隔、減少計(jì)算次數(shù)和重復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送自然會(huì)延長電池的壽命。但是，我們必須在所有這些因素以及數(shù)據(jù)可靠性和用戶及時(shí)獲取信息之間實(shí)現(xiàn)平衡。

第三個(gè)降低功耗的方法是利用擁有內(nèi)置加速計(jì)(如SP30)的傳感器來偵測(cè)車輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)，TPMS可以停止運(yùn)行以節(jié)省電量。多數(shù)情況下，車輛處于停車狀態(tài)時(shí)間比真正行駛時(shí)間要長得多。因此這種方法可以大幅度節(jié)省電量。

運(yùn)用低頻(LF)接口也是一種降低功耗的方法。通過低頻接口，中央接收器模塊可以給始終處于待機(jī)模式的輪胎模塊發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。只有接收到“喚醒”信號(hào)后，輪胎模塊才會(huì)進(jìn)行測(cè)量和發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣，輪胎模塊的電池壽命可以大大延長。除了省電外，低頻接口還帶來了靈活設(shè)計(jì)和額外功能。例如，輪胎更換后，低頻通信可以讓系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)輪胎識(shí)別。SP30帶有低頻輸入接口，可解決這個(gè)設(shè)計(jì)難題。

介質(zhì)兼容性

圖2：英飛凌公司的TPMS解決方案。

傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對(duì)TPMS而言至關(guān)重要。如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個(gè)系統(tǒng)的精確性和可靠性將成問題。輪胎模塊是置于輪胎內(nèi)部的，因此電子組件面對(duì)的是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境。電子組件將工作在－40°C到125°C的溫度范圍內(nèi)，并將面對(duì)潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護(hù)。TPMS的傳感器特別容易被腐蝕，因?yàn)樗膲毫M(jìn)口必須與空氣接觸才能監(jiān)測(cè)周圍的壓力。

英飛凌的傳感器包括壓力傳感組件和加速傳感組件(可選)。傳感組件是一個(gè)三層堆疊模塊(玻璃－硅－玻璃)。絕對(duì)壓力參考值是由頂層玻璃里的真空腔得出的。因?yàn)閴毫M(jìn)口朝向硅層的背面，所以傳感組件有很好的介質(zhì)兼容性。利用這種獲得專利的三層堆疊技術(shù)，英飛凌傳感器(如SP30)獲得了非常好的介質(zhì)兼容性。

系統(tǒng)成本

這個(gè)由接收器模塊和四個(gè)輪胎模塊組成的系統(tǒng)要在商業(yè)上獲得成功，系統(tǒng)成本起著很重要的作用。好的解決方案使用擁有集成功能的組件以實(shí)現(xiàn)組件數(shù)量、運(yùn)行功耗和PCB尺寸的減少，最終實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)成本。讓TPMS和無鑰進(jìn)入(RKE)接收器共享同一平臺(tái)也可以降低系統(tǒng)成本。但是，這在商業(yè)上并不是始終可行的。

RF設(shè)計(jì)

第一代TPMS的發(fā)射器芯片設(shè)計(jì)運(yùn)用的是ASK調(diào)制技術(shù)，通過SAW共振器產(chǎn)生合適的發(fā)射頻率。這樣的ASK系統(tǒng)非常便宜，但是載有發(fā)射器的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收?qǐng)鰪?qiáng)發(fā)生變化。

為此，目前的TPMS在晶體振蕩器和PLL合成器的基礎(chǔ)上運(yùn)用FSK調(diào)制方式來產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應(yīng)用中，F(xiàn)SK即使在輪子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都能提供可靠的RF通信。英飛凌公司的UHF發(fā)射器系列TDK510xF 可為這種TPMS應(yīng)用提供最佳解決方案。TDK510xF系列裝置可用于不同的頻帶(315、434、868和915MHz)，并可進(jìn)行ASK和FSK調(diào)制。該裝置包含一個(gè)全面集成的PLL合成器和一個(gè)高效功率放大器來驅(qū)動(dòng)環(huán)形天線。在RF輸出功率為5dBm ，電阻為50歐的情況下，典型的耗電量為7mA(可以視為最低的耗電量)。 該裝置可在－40°C到125°C的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并采用小型P-TSSOP-10封裝。

除了發(fā)射器系列產(chǎn)品之外，英飛凌公司還有針對(duì)不同頻帶的多種接收器和收發(fā)器芯片，如TDA521x接收器芯片廣泛用于TPMS和RKE應(yīng)用。英飛凌公司的無線芯片只需極少的外部組件，環(huán)路濾波器和VCO電路都實(shí)現(xiàn)了集成，其特點(diǎn)還包括低運(yùn)行電流和良好的靈敏度。

英飛凌公司的TPMS解決方案

英飛凌公司通過融合傳感器和RF無線芯片來提供完整的TPMS系統(tǒng)解決方案。從圖2中可以看出，SP30或SP12(無MCU)可以與TDK510x發(fā)射器芯片在輪胎模塊里協(xié)同應(yīng)用。在接收器端，TDA521x可以和任何8位或16位MCU協(xié)同應(yīng)用。

1997年，英飛凌公司的TPMS傳感器投產(chǎn)，迄今總產(chǎn)量已達(dá)上千萬。隨著大量的產(chǎn)品在市場(chǎng)上得到使用和測(cè)試，英飛凌公司大規(guī)模生產(chǎn)能力得到了認(rèn)可。英飛凌公司的TPMS傳感器的多種優(yōu)勢(shì)造就了其市場(chǎng)領(lǐng)袖地位，其中包括：

數(shù)字接口(SPI)為獨(dú)立TPMS傳感器(SP12/SP12T)帶來了靈活設(shè)計(jì)；

針對(duì)各種OEM運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模部署；

卓越的介質(zhì)兼容性和可靠性；

生產(chǎn)過程中進(jìn)行全面補(bǔ)償和校準(zhǔn)；

低功耗；

獨(dú)特傳感器ID，可實(shí)現(xiàn)輕松識(shí)別；

超寬工作溫度范圍(－40°C到125°C)；

片上加速計(jì)監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)(可選)；

片上微控器降低印刷電路板尺寸和系統(tǒng)成本(SP30)；

片上溫度和電壓傳感器；

片上LF(低頻)輸入接口實(shí)現(xiàn)雙向通信；

準(zhǔn)確氣壓測(cè)量(±7kPa)；

利用EROM進(jìn)行量產(chǎn)，降低成本；

異常溫度下關(guān)閉，避免不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)量；

與RF無線芯片一起使用可構(gòu)成完整TPMS解決方案；

集成RF發(fā)射器、耗電更小的未來解決方案；

本文小結(jié)

工程師在設(shè)計(jì)直接TMPS時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統(tǒng)成本以及RF設(shè)計(jì)，這些因素也是商業(yè)成功的關(guān)鍵所在。基于SP30和TDK510xF的解決方案為組件數(shù)量和PCB尺寸設(shè)立了一個(gè)基準(zhǔn)。它同時(shí)滿足了汽車行業(yè)的10年電池壽命要求。

新一代的TPMS將有一些革命性的突破。在性能提升的同時(shí)，功耗、尺寸、重量和成本將不斷降低。英飛凌公司計(jì)劃于2007年推出的名為SP35的單電子組件將傳感和發(fā)射功能融合在一起，這意味著MCU、傳感器和RF發(fā)射器將集于一體。到2010年時(shí)，英飛凌有望推出耗電量更低的系統(tǒng)。