硅技術(shù)引領(lǐng)汽車設(shè)計時代

　　引言

　　現(xiàn)代汽車中的半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品正在迅猛增加，消費(fèi)者對附加功能的需求正將汽車從一個以電氣系統(tǒng)為輔的機(jī)械系統(tǒng)，變成一個沒有電子系統(tǒng)就無法正常運(yùn)行的機(jī)電系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢刺激了市場對優(yōu)質(zhì)、強(qiáng)大并具有成本效益的硅解決方案的需求。

　　過去，汽車工業(yè)更重視電氣系統(tǒng)，而不重視電子系統(tǒng)。例如，照明系統(tǒng)過去經(jīng)常使用繼電器、熔斷器和電源開關(guān)作為主模塊設(shè)計。今天，ST的“智能”硅解決方案正將汽車工業(yè)引入一個嶄新的激動人心的汽車設(shè)計時代。這場革新不僅發(fā)生在傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)，而且還涉及到機(jī)械系統(tǒng)?，F(xiàn)在幾乎沒有汽車制造商還在使用純粹的機(jī)械/電氣發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，幾乎所有的現(xiàn)代設(shè)計都是利用微處理器的強(qiáng)大功能使發(fā)動機(jī)運(yùn)行得既高效又安靜，而且，還可以按照司機(jī)的要求輸出動力。

　　隨著汽車工業(yè)對半導(dǎo)體依賴程度的提高，半導(dǎo)體供應(yīng)商不斷開發(fā)出新的技術(shù)和工藝，以滿足汽車工業(yè)對半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求。這些進(jìn)步正將汽車引向一個成本和集成度都優(yōu)于今天的解決方案的汽車系統(tǒng)的理想目標(biāo)。不過，只能通過半導(dǎo)體供應(yīng)商與汽車工業(yè)相關(guān)的行業(yè)的密切合作才能取得這些進(jìn)步，像意法半導(dǎo)體(ST)這樣的寬線產(chǎn)品的半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)認(rèn)識到了這種關(guān)系。本文探討了一些專門為汽車工業(yè)開發(fā)的半導(dǎo)體技術(shù)，以及半導(dǎo)體供應(yīng)商與汽車制造商及其一級零部件供應(yīng)商的合作關(guān)系在這一成功中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

　　合作模式

　　隨著汽車控制系統(tǒng)的復(fù)雜性日益提高，以及對乘座舒適性需求的提高，汽車制造商及半導(dǎo)體供應(yīng)商增加的投資超出了汽車市場的增長速度?？焖俚耐顿Y增長和對半導(dǎo)體的重視，急需半導(dǎo)體供應(yīng)商提高產(chǎn)品功能，同時降低成本。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些目的，汽車制造商及其一級零部件供應(yīng)商需要依賴像意法半導(dǎo)體一樣的半導(dǎo)體供應(yīng)商的專門技術(shù)和工藝，半導(dǎo)體供應(yīng)商為半導(dǎo)體器件輸入了專門的技術(shù)，同時，汽車制造商及其一級零部件供應(yīng)商也為系統(tǒng)提供了專門的技術(shù)。因此，一個優(yōu)良的交流模式對于汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)是非常重要的。

　　傳統(tǒng)上，汽車工業(yè)的半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)是基于一個分層的交流模式，在這種模式下，半導(dǎo)體供應(yīng)商直接與一級零部件供應(yīng)商交流，而一級供應(yīng)商要分別與半導(dǎo)體供應(yīng)商和汽車制造商交流。因?yàn)橐患壛悴考?yīng)商在整車的某些特殊的系統(tǒng)開發(fā)上擁有專門的技術(shù)，所以，這種交流模式對于閉路系統(tǒng)十分有效。不過，對于依靠汽車的其他系統(tǒng)幫助來執(zhí)行目標(biāo)功能的系統(tǒng)(開路系統(tǒng))，汽車制造商的加入是十分重要的。這種方法是針對汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)而產(chǎn)生的。由汽車制造商、一級零部件供應(yīng)商和半導(dǎo)體供應(yīng)商組成的集團(tuán)叫做財團(tuán)。財團(tuán)采用圓桌會議的方法在成員之間建立交流渠道，汽車工業(yè)正在享受這一結(jié)果帶來的好處。

　　硅技術(shù)進(jìn)步

　　縱向智能功率技術(shù)(VIPower)--用智能硅器件取代繼電器自晶體管問世以來，硅開關(guān)技術(shù)經(jīng)歷了全面的發(fā)展，不過，硅技術(shù)局限性意味著在高可靠和惡劣環(huán)境中(如汽車)，晶體管的應(yīng)用將會受到限制。在硅技術(shù)無法應(yīng)用的領(lǐng)域，機(jī)電繼電器則是一個成本低廉的開關(guān)解決方案。

　　現(xiàn)在，新的硅技術(shù)正在改變傳統(tǒng)的觀念。先進(jìn)的硅技術(shù)，如意法半導(dǎo)體開發(fā)的VIPower(縱向智能功率MOS技術(shù))，不僅縮小了芯片封裝的尺寸，而且還提高了器件內(nèi)部的智能技術(shù)含量。這種技術(shù)允許開發(fā)智能程度更高的用戶友好的應(yīng)用，例如，無需熔斷器的智能前大燈控制器，以及智能車窗升降應(yīng)用，這種升降機(jī)無需特殊傳感器就能檢測到夾在車窗的物體，如手或嬰兒的頭。

　　意法半導(dǎo)體開發(fā)出了很多在單一半導(dǎo)體器件內(nèi)集成系統(tǒng)功能的硅技術(shù)，這種技術(shù)允許控制 電路與場效應(yīng)MOS驅(qū)動器安裝在一起，在與VIPower器件配合使用時，可以形成一個系統(tǒng)解決方案。

　　VIPower 硅結(jié)構(gòu)允許設(shè)計一個低Rdson(通態(tài)電阻)的開關(guān)器件，這樣，使用少量的半導(dǎo)體器件，就可以驅(qū)動較大的負(fù)載，如直流電機(jī)、電磁閥和車燈。意法半導(dǎo)體正在設(shè)計將硅技術(shù)與工藝融為一體，包括采用VIPower技術(shù)的智能控制器單片。硅技術(shù)和工藝整合后為汽車工業(yè)創(chuàng)造的獨(dú)特產(chǎn)品，會以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的功能和更佳的系統(tǒng)設(shè)計。

　　當(dāng)設(shè)計驅(qū)動外部負(fù)載的汽車系統(tǒng)時，最重要的是了解使用硅器件的優(yōu)點(diǎn)和局限性。在為系統(tǒng)確定正確的半導(dǎo)體分布的內(nèi)部設(shè)計方面，意法半導(dǎo)體擁有專門的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。為融合一級零部件供應(yīng)商的專門系統(tǒng)技術(shù)和汽車制造商開發(fā)的每一臺汽車平臺的專門技術(shù)，利用一個隨時可用的強(qiáng)大框架，以確保汽車具有異的質(zhì)量和可靠性。

　　微控制器——更強(qiáng)的處理能力，更小的功耗

{{分頁}}

　　汽車系統(tǒng)的理想的微控制器應(yīng)具有強(qiáng)大的處理能力，同時電力功率消耗也應(yīng)很低。這是因?yàn)閮蓚€原因：使用微控制器的系統(tǒng)還有更多的任務(wù)要做;越來越多的新系統(tǒng)被增加到汽車制造商的汽車平臺上。

　　對于微控制器，性能提高意味著工作頻率提高，這就產(chǎn)生了電磁傳導(dǎo)系數(shù)(EMC)和電磁化系數(shù)(EMS)問題。為了滿足汽車EMC和EMS嚴(yán)格的需求，半導(dǎo)體設(shè)計商在優(yōu)化微控制器的電路和布局上花費(fèi)了巨大的人力和物力，開發(fā)出了能夠滿足并超出汽車環(huán)境要求的微控制器產(chǎn)品。

　　硬件平臺

　　微控制器核心只是微控制器的一部分，微控制器的外設(shè)組合、封裝尺寸和引腳也很重要。例如，控制車身電子系統(tǒng)的微控制器可能需要一對精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、16位定時器、自動裝載脈寬調(diào)制(PWM)輸出、連接外圍組件的串口(SPI)、K線和LIN等通信用串行通信接口(SCI)，甚至還包括直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的專用電機(jī)控制輸出(常用于儀表線束)。

　　通過與一級零部件供應(yīng)商和汽車制造商密切合作，意法半導(dǎo)體已經(jīng)有能力運(yùn)用獨(dú)有的硅技術(shù)及工藝，開發(fā)高集成度的可以用于汽車平臺多個系統(tǒng)的微控制器家族。

　　軟件平臺

　　大多數(shù)汽車制造商是自己定義軟件平臺的需求，這種方法可實(shí)現(xiàn)汽車平臺系統(tǒng)之間的兼容性，目標(biāo)是讓不同供應(yīng)商開發(fā)的系統(tǒng)能夠無縫運(yùn)行和有效配合。為了有效地降低開發(fā)成本，同時提高汽車平臺的靈活性和耐用性，很多汽車制造商都結(jié)盟定義工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺。

　　硬件抽象層(HAL)是一個定義中的軟件實(shí)現(xiàn)方式。HAL的理念是擁有一個無需修改任何硬件平臺就可運(yùn)行的應(yīng)用軟件層。意法半導(dǎo)體與汽車工業(yè)的合作伙伴密切合作，開發(fā)出可以在汽車平臺上輕松集成微控制器的固件。

　　汽車網(wǎng)絡(luò)--智能汽車的分布式智能

　　汽車通信總線標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步是要求硅產(chǎn)品連接汽車系統(tǒng)智能功能的需求日益增長的結(jié)果。例如，今天，一個汽車的安全系統(tǒng)將會檢查車窗是否關(guān)閉，車燈是否關(guān)閉，汽車是否切斷電源，并在人進(jìn)入汽車前自動接通電源。有了汽車網(wǎng)絡(luò)通信總線，這些智能操作才能成為可能。

　　今天，CAN2B標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為汽車網(wǎng)絡(luò)的通信總線采用的主要標(biāo)準(zhǔn)，CAN協(xié)議通常用于連接動力傳動系統(tǒng)和車身電子系統(tǒng)。廣播信息方法、碰撞檢測及預(yù)防方法，以及對特殊需求如時間觸發(fā)協(xié)議的適應(yīng)性，說明CAN是一個強(qiáng)大的廣泛認(rèn)可的并得到全面支持的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　對于汽車網(wǎng)絡(luò)中的低速、低成本節(jié)點(diǎn)，局部互聯(lián)網(wǎng)LIN正在快速成為新的標(biāo)準(zhǔn)，意法半導(dǎo)體的LINSCI微控制 器外設(shè)通過給一個標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口(SCI)增加附加硬件可以提高功能。LINSCI使一個LIN節(jié)點(diǎn)可以節(jié)省微控制器資源，降低功耗。

　　在需要高帶寬通信總線的應(yīng)用中，如視頻和音頻多路復(fù)用，有幾個標(biāo)準(zhǔn)還正處于開發(fā)中，其中包括MOST和Firewire。這些新標(biāo)準(zhǔn)正將汽車網(wǎng)絡(luò)的物理層從傳統(tǒng)的電力布線過渡到塑光纖技術(shù)(POF)。這種趨勢為汽車網(wǎng)絡(luò)帶來了很多好處，如EMC和電磁化系數(shù)降低，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)汽車系統(tǒng)之間的電隔離。

　　無線通信系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)(GPS)、遠(yuǎn)程信息處理信息系統(tǒng)(Telematics)和藍(lán)牙技術(shù)，給人與汽車的人機(jī)互動帶來了巨大的進(jìn)步。這些技術(shù)為汽車增加了移動辦公的功能，使汽車能夠?qū)崟r連接支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備，如電話、個人數(shù)字助理(PDA)和筆記本電腦。

　　機(jī)電系統(tǒng)--片上系統(tǒng)技術(shù)

　　; 機(jī)電系統(tǒng)主要用于分布式智能汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)都有一個電子控制器件和一個機(jī)械活動結(jié)構(gòu)。典型的應(yīng)用實(shí)例包括機(jī)電門鎖、機(jī)電后視鏡控制器和機(jī)電車窗升降機(jī)。

　　意法半導(dǎo)體在片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)付出了巨大的努力，為用戶帶來了低成本的機(jī)電解決方案，如微控制器、VIPower、網(wǎng)絡(luò)組件、閃存和EEPROM存儲器、電壓調(diào)節(jié)器等。這些技術(shù)包括CMOS、BiCMOS、BCD、閃存、FPGA、DRAM和MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))。

　　因?yàn)镾OC集成越來越多的功能，汽車系統(tǒng)的開發(fā)時間對半導(dǎo)體SOC的開發(fā)時間依賴性越來越大，同樣，汽車系統(tǒng)的成本對SOC成本的依賴性也越來越大。因此，硅技術(shù)及工藝取得的巨大進(jìn)步是SOC實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)而成本低廉的最重要因素。意法半導(dǎo)體新開發(fā)的90nm技術(shù)正在引導(dǎo)著SOC的發(fā)展潮流。采用90nm技術(shù)的CMOS090工藝采用內(nèi)置模塊化設(shè)計，可以快速開發(fā)性能優(yōu)異而功耗低的SOC器件。

　　環(huán)境保護(hù)

　　在環(huán)境治理上取得進(jìn)展引起公眾廣泛關(guān)注的行業(yè)并不多，但是，汽車行業(yè)就是其中的一個實(shí)例。我們注意到汽車行業(yè)引入了污染治理措施，如催化轉(zhuǎn)換器、無鉛汽油、發(fā)動機(jī)容積及性能限制。不過，無論現(xiàn)代汽車在環(huán)境義務(wù)上取得多大進(jìn)展，汽車行業(yè)還需做出更大的進(jìn)步。意法半導(dǎo)體的環(huán)境政策為開發(fā)這些工藝提供了保證，同時，還證明這些政策在經(jīng)濟(jì)學(xué)上也是合理的。這些工藝的直接結(jié)果是，其在深圳的鍍錫工廠消耗的化工原料降低了13%，成本降低了42%。這是通過調(diào)整設(shè)備使用濃度更低的化工原料實(shí)現(xiàn)的。

　　意法半導(dǎo)體努力做到在產(chǎn)品中最低限度地使用危險物質(zhì)，這種做法的直接結(jié)果我們開發(fā)出了一種叫做ECOPackage的無鉛硅封裝工藝。

　　為汽車工業(yè)帶來的好處

　　半導(dǎo)體供應(yīng)商擁有硅技術(shù)及工藝的專門技術(shù)，寬產(chǎn)品線的半導(dǎo)體供應(yīng)商擁有多項(xiàng)不同的硅技術(shù)及工藝的專門技術(shù)，是制造智能化程度更高而成本更低廉的系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

　　當(dāng)一個半導(dǎo)體企業(yè)集中力量于汽車工業(yè)時，這些好處會從汽車制造商通過一級零部件供應(yīng)商最后轉(zhuǎn)移到消費(fèi)者。圓桌論壇集中了汽車制造商、一級零部件供應(yīng)商和意法半導(dǎo)體的專門技術(shù)，能夠產(chǎn)生最佳的可行的汽車網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)解決方案。

　　今天，汽車工業(yè)已經(jīng)在收獲通過艱辛的努力獲得的回報，在路上行駛的汽車中，我們看到越來越多的車子裝備了“智能”系統(tǒng)，而這些并非是高檔豪華車，越來越多的經(jīng)濟(jì)型生活用車也在裝配這些系統(tǒng)。新車的成本組成與半導(dǎo)體產(chǎn)品的成本的關(guān)系更加密切，硅技術(shù)的進(jìn)步正在降低新車的成本。汽車的智能化程度越來越高，而成本則越來越低，我們無法想象未來的汽車是什么樣，但是，我們所有的人都在期待能讓未來的交通工具變得更舒適的技術(shù)進(jìn)步。