汽車電子技術(shù)創(chuàng)新加快汽車變革步伐

　　汽車電子產(chǎn)品可以改善控制、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性，同時(shí)提供類似家用的娛樂(lè)和連接體驗(yàn)。目前的汽車電子支撐技術(shù)承諾會(huì)在未來(lái)提升所有這些領(lǐng)域的功能。

　　本文討論的產(chǎn)品和技術(shù)將改變汽車電子設(shè)計(jì)和汽車環(huán)境。這些創(chuàng)新技術(shù)包括具有雙面冷卻的電源封裝、具有高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)功能的串行器/串并轉(zhuǎn)換器(SERDES)芯片組、用于停止/啟動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的音頻放大器，可提升安全性和系統(tǒng)性能的傳感器技術(shù)以及用于改善汽車連接體驗(yàn)的無(wú)線技術(shù)。

功率MOSFET封裝

　　一些新型汽車應(yīng)用需要更高的功率級(jí)別，比如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)、電源、混合動(dòng)力汽車的電池開(kāi)關(guān)以及微型混合動(dòng)力汽車上的集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(jī)(ISA)等。

　　國(guó)際整流器公司(International Rectifier)的汽車DirectFET2功率MOSFET可提供更高的功率密度、雙面冷卻以及用于重型汽車荷載的極低寄生電感和電阻。其封裝設(shè)計(jì)采用鑄造銅夾將MOSFET的漏級(jí)與PCB相連，可提供改進(jìn)的電氣連接和頂部冷卻途徑(圖1)。

圖1：IR的DirectFET2封裝對(duì)于三種封裝大小采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　汽車級(jí)封裝版本(AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn))于2010年年初發(fā)布，該封裝已經(jīng)在大功率計(jì)算應(yīng)用中使用多年。通過(guò)全面的汽車測(cè)試需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，同時(shí)IR還增大了封裝尺寸。

　　汽車級(jí)DirectFET2功率MOSFET的額定值均在175°C的最高結(jié)溫下提供。這些MOSFET的濕敏等級(jí)為1級(jí)(MSL1)。IR最近增加三個(gè)汽車系列的新成員。

　　AUIRF7738L2和AUIRF7737L2的最大電阻分別為1.6 mΩ和1.9mΩ，源漏電壓為40 V，與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)D2Pak封裝相比，其封裝尺寸更大，電路板空間小60%。AUIRF7736M2的最大電阻為3.0mΩ，源漏電壓也為40V，它采用較小的中型DirectFET2封裝，電路板空間與5mm×6mm方形扁平無(wú)引腳封裝(PQFN)或SO-8封裝相同。

具有HDCP功能的SerDes芯片組

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的FPD-Link III SERDES芯片組在2010年最初推出時(shí)滿足了汽車信息娛樂(lè)和駕駛輔助系統(tǒng)的需求。例如，它可以用于將來(lái)自車載攝像頭的高速視頻數(shù)據(jù)傳送到數(shù)字顯示屏中。

　　最近推出的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q串并轉(zhuǎn)換器是業(yè)界首個(gè)用于汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)的具有高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)的SERDES芯片組。由于該芯片組支持滿足數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(DCP)LLC的規(guī)范的受保護(hù)視頻和音頻內(nèi)容的車內(nèi)分發(fā)，因此它支持在車內(nèi)播放分辨率高達(dá)720p的藍(lán)光電影。華納兄弟娛樂(lè)公司、迪斯尼公司和索尼影視娛樂(lè)等主要內(nèi)容提供商均認(rèn)可HDCP功能。

　　在汽車中提供高品質(zhì)觀看體驗(yàn)是汽車制造商致力于在移動(dòng)環(huán)境中提供家用級(jí)體驗(yàn)的工作的目標(biāo)之一。此外，最新的FPD-Link III SERDES芯片組(圖2)支持音視頻數(shù)據(jù)與單差分對(duì)的雙向控制的合并。這樣就壓縮了互連尺寸、重量和成本，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了汽車系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

圖2：NSC的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q解串器在一條雙絞線電纜上實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)和控制。

　　保存在SERDES芯片組中的獨(dú)特HDCP密鑰可防止視頻內(nèi)容在未經(jīng)授權(quán)的情況下使用。此外，此芯片組還可對(duì)內(nèi)容數(shù)據(jù)加密。它根據(jù)HDCP規(guī)范進(jìn)行所需的認(rèn)證交換。

音頻放大器

　　意法半導(dǎo)體(ST)的TDA7850LV音頻功率放大器可解決節(jié)能型發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能帶來(lái)的問(wèn)題。這種特性與高效率引擎管理程序等其它技術(shù)相結(jié)合，有望將某種模式下的油耗降低20%。根據(jù)Strategy Analytics公司的數(shù)據(jù)，截至2015年啟停系統(tǒng)的年需求量有望達(dá)到2千萬(wàn)部。

　　由于電池是電力的唯一來(lái)源，因此微型混合動(dòng)力汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的啟停系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉和重新啟動(dòng)時(shí)使車載電子設(shè)備的供電電壓下降至6V。

　　此外，電池電源和交流發(fā)電機(jī)電源之間的切換會(huì)產(chǎn)生“咔嗒”的噪聲。在這兩種情形下，車內(nèi)音頻的品質(zhì)都會(huì)降低。

　　TDA7850LV是意法半導(dǎo)體新型器件系列(圖3)的首個(gè)成員，該器件專為解決這些新興的電力輔助汽車中的這些問(wèn)題而設(shè)計(jì)。4x50W MOSFET輸出級(jí)具有2Ω輸出驅(qū)動(dòng)器，可與諸多揚(yáng)聲器類型兼容。

圖3：ST針對(duì)啟停功能的音頻功率放大器提供了三種不同的外形尺寸。

　　此外，該器件還集成了調(diào)節(jié)供電電壓和抑制“咔嗒”噪聲的電路。由于不需要增加外部元器件來(lái)獲取這些功能，因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)工作，降低了成本，同時(shí)節(jié)省了PCB空間。

　　隨著汽車變革步伐的加快，能夠解決其它汽車系統(tǒng)中的變革引起的問(wèn)題的及時(shí)創(chuàng)新IC將變得越來(lái)越普遍。

提升安全性和系統(tǒng)性能的傳感器技術(shù)

　　從多軸微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)到視頻和雷達(dá)傳感器，從舶來(lái)品到成熟的技術(shù)，傳感器開(kāi)創(chuàng)了控制系統(tǒng)的歷程。傳感器和基于傳感器的系統(tǒng)的供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)的最新技術(shù)進(jìn)步包括高級(jí)封裝、傳感器接口以及整合的傳感器和先進(jìn)系統(tǒng)概念，以實(shí)現(xiàn)更高的控制并降低安全系統(tǒng)的成本。

　　系統(tǒng)要求規(guī)定了傳感器或用于系統(tǒng)中的傳感器的規(guī)格，并最終確定哪一種傳感器技術(shù)滿足這些要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)就是一個(gè)很好的例子。EPS是汽車制造商使用的節(jié)能措施之一。

　　EPS正憑借能將油耗降低4%的能力而逐漸普及。根據(jù)底特律新聞報(bào)中一篇文章，福特汽車公司表示，截至2012年該公司90%的汽車都將擁有EPS。美國(guó)密歇根州薩吉諾的一家公司Nexteer Automotive的全尺寸皮卡有望在未來(lái)三年內(nèi)開(kāi)始使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。

　　EPS也是自動(dòng)停車輔助、自適應(yīng)巡航控制(ACC)等其它高級(jí)功能、混合動(dòng)力汽車和帶起停式系統(tǒng)的汽車的基本功能。此外，EPS還可能是未來(lái)防撞系統(tǒng)的一部分。

　　在EPS系統(tǒng)中，傳感器指示駕駛員的轉(zhuǎn)向要求，因此微控制器可以開(kāi)動(dòng)駕駛桿或轉(zhuǎn)向齒條的電動(dòng)馬達(dá)。霍爾器件(半導(dǎo)體傳感器元老之一)不斷針對(duì)EPS和其它馬達(dá)控制應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)。已有兩家供應(yīng)商在EPS系統(tǒng)中采用了截然不同的霍爾技術(shù)。

　　Melexis繼推出USx88x系統(tǒng)之后已設(shè)計(jì)出其第二代霍爾鎖存?zhèn)鞲衅鳌Ｊ卓町a(chǎn)品MLX92211的工作電壓為2.7至24V。垂直施加于封裝頂部的南北磁場(chǎng)可產(chǎn)生用于切換“開(kāi)通”和“關(guān)斷”的開(kāi)漏輸出。

　　除了極高的靜電放電(ESD)、反向電壓保護(hù)和輸出短路保護(hù)等級(jí)等保護(hù)功能之外，平臺(tái)的磁芯設(shè)計(jì)還可以最大限度地降低溫度敏感性。為補(bǔ)償溫度上升時(shí)的磁性減弱，Melexis實(shí)現(xiàn)了-1000 ppm/℃的負(fù)溫度系數(shù)。這樣就可以產(chǎn)生極穩(wěn)定和精確的磁鐵開(kāi)關(guān)點(diǎn)。除了EPS應(yīng)用之外，霍爾器件還可用于車窗玻璃升降器、天窗、座椅調(diào)節(jié)器、刮水器或電機(jī)換向中。

　　相比之下，博世(Bosch)的工程師選擇在ESC系統(tǒng)中使用霍爾器件。為降低成本，這種方法替代了GMR(巨磁阻)技術(shù)提供的絕對(duì)測(cè)量方法，該公司在其LWS5轉(zhuǎn)向角傳感器中使用了這一技術(shù)。更新的LWS6專門針對(duì)緊湊型汽車和小型汽車的基本功能，也可以用于電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向或ACC系統(tǒng)。這個(gè)成本更低的技術(shù)仍可提供1.5的典型轉(zhuǎn)向角信號(hào)分辨率。控制器件通過(guò)來(lái)自傳感器的方波輸出計(jì)算轉(zhuǎn)向車輪的位置、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。

　　博世的工程師還將霍爾器件用于專門針對(duì)EPS應(yīng)用的扭矩傳感器轉(zhuǎn)向(TSS)中。此傳感器包含兩個(gè)霍爾傳感元件，可測(cè)量駕駛員通過(guò)圍繞扭力桿的兩個(gè)同心圓的操作所施加的轉(zhuǎn)向力。輪胎和路面之間的摩擦阻力引起轉(zhuǎn)向力增加，從而產(chǎn)生成正比的TSS輸出，它可以解決磁通量變化引起的小至0.002°的扭角(參見(jiàn)圖4)。

　　EPS和ESC只是霍爾傳感器的兩個(gè)汽車應(yīng)用?；魻杺鞲屑夹g(shù)已被Preh作為非接觸式傳感方法集成到Ford Coyote V-8引擎的Pierburg油門體中。用于Ford F-150卡車和Mustang客車的霍爾設(shè)計(jì)可提供電位傳感器的備用方案。對(duì)于可能的應(yīng)用，此傳感器的工作溫度范圍為-58℃至+160℃。

1. 傳感器接口要求

　　傳感器一般通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)或本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)協(xié)議連接到汽車總線。SAE J2716 SENT(用于單邊半字節(jié)傳輸)協(xié)議和PSI5組織的外圍傳感器接口5(PSI5)是專為傳感器開(kāi)發(fā)的兩個(gè)新興接口。

　　SAE的SENT編碼方案針對(duì)高分辨率傳感器數(shù)據(jù)需要傳送到引擎控制模塊等電子控制單元(ECU)的應(yīng)用。SENT只需要一次轉(zhuǎn)換，而不需要傳統(tǒng)技術(shù)所需的多次模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了傳感器和ECU的成本。除了方便實(shí)現(xiàn)SENT的診斷功能之外，該協(xié)議還提供用于可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)难h(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)。

　　奧地利微電子公司(Austria Microsystems)在其AS5165角位置傳感器中使用了霍爾傳感技術(shù)，該傳感器增加了使用SENT協(xié)議傳送數(shù)據(jù)的能力，針對(duì)節(jié)氣門和閥門位置傳感和其它動(dòng)力系統(tǒng)傳感應(yīng)用。磁性編碼器在單個(gè)封裝中整合了集成式霍爾元件、模擬前端和數(shù)字信號(hào)處理功能。除了易于傳送高分辨率傳感器信息之外，此傳感器還集成了多個(gè)保護(hù)功能，包括防止電源和輸出引腳的電壓達(dá)到27V的過(guò)壓保護(hù)、防止電源引腳出現(xiàn)-18V的反極性的保護(hù)以及用于連續(xù)短路檢測(cè)和斷絲檢測(cè)的保護(hù)。