更安全與環(huán)保——電子技術于細微處改變汽車行業(yè)

在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的帶動下，我國的汽車電子市場迎頭趕上，在國產(chǎn)轎車全球化進程開始的同時，相關汽車電子產(chǎn)品市場也開始興起。預計未來幾年，還會有眾多高端汽車電子被植入國產(chǎn)汽車中，而各汽車廠商的電子競賽也將愈演愈烈。在下一輪競賽中，汽車電子扮演的作用將越來越重要，這也是推動中國汽車電子市場持續(xù)高速發(fā)展的直接動力之一。

　　據(jù)賽迪顧問的預測，在2008年及未來幾年內(nèi)，中國汽車電子市場將在中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國產(chǎn)汽車產(chǎn)品升級的推動下保持快速的發(fā)展態(tài)勢，預計到2012年，中國汽車電子市場規(guī)模將超過3200億元。

　　

　　　　圖1  2008－2012年中國汽車電子市場規(guī)模與增長預測
　　 

　　汽車更安全、更環(huán)保的發(fā)展方向不會改變　
　
　　目前，動力控制、底盤控制、安全系統(tǒng)、車身電控等產(chǎn)品的普及率已經(jīng)很高，未來幾年這些產(chǎn)品仍有不斷向低端車普及的趨勢，與這些成熟的產(chǎn)品相比，一些新的應用成為未來幾年中國汽車電子市場的熱點，如主動安全系統(tǒng)、汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)，以及GPS等車載信息系統(tǒng)等。從技術角度來看，這些產(chǎn)品的普及沒有任何障礙，而隨著產(chǎn)品成熟，其成本也在不斷降低。接下來幾年，隨著國家法制法規(guī)不斷完善、消費者安全意識不斷提高、消費者舒適需求不斷提升，以及相關網(wǎng)絡和服務不斷完善，這些新興汽車電子產(chǎn)品將進入高速普及階段。雖然這些產(chǎn)品的普及很難向EMS、ABS普及時那樣使市場出現(xiàn)井噴式增長，但多樣化產(chǎn)品的應用必將進一步刺激中國汽車電子市場的發(fā)展。

　　未來幾年，汽車更安全、更環(huán)保的發(fā)展方向不會改變，用于提高該方面性能的電子產(chǎn)品升級步伐也將持續(xù)，但整體來說，不會有太大的改變。相比之下，車身、車載電子市場的空間要更大一些：

　? 首先，車身、車載電子產(chǎn)品種類繁多，市場可拓展?jié)摿薮?。與動力和底盤系統(tǒng)相比，車身、車載電子產(chǎn)品的可拓展性更強一些，因為其產(chǎn)品種類十分豐富，許多在3C領域應用的技術都可以移植到汽車中，如多媒體技術、網(wǎng)絡技術等。

　? 其次，車身、車載電子產(chǎn)品是未來消費需求的熱點。車身、車載電子產(chǎn)品對改善汽車舒適性，提高汽車娛樂性起到很大的作用，而這也恰好迎合了消費者的需求。隨著私人消費者的增加，這種對汽車動力以外的需求更為突出，這也使得車身、車載電子產(chǎn)品市場未來發(fā)展?jié)摿κ恪?/p>

　　綠色環(huán)保將成為動力傳動市場MCU發(fā)展的主要驅(qū)動力

 　　根據(jù)J.D.Power and Associates的統(tǒng)計，全球共計擁有8.2億輛車輛，每輛車平均每年排放4噸二氧化碳，排放總量高達33億噸。二氧化碳時主要的溫室氣體，也是導致全球升溫的溫室消音的罪魁禍首。僅在美國，二氧化碳就占所有溫室氣體排放量的80%。

　　為此，各國和地區(qū)將逐步嚴格汽車排放的規(guī)定。汽車廠商也有意引入混合動力和直噴式汽油機，用電子控制代替液壓控制。這些都將成為動力傳動系統(tǒng)邁向更高段MCU的驅(qū)動因素。“動力傳動系統(tǒng)用MCU正處在從16位向32位演變的階段，”飛思卡爾亞太區(qū)汽車電子市場與系統(tǒng)應用經(jīng)理Bernd Rucha表示：“因為汽車電子面臨的是更嚴格的排放要求。”除了排放要求，動力傳動系統(tǒng)中的MCU承擔的工作負荷也在增加。今后汽車將采用更強大的引擎管理器系統(tǒng)，MCU需要不斷地檢查傳感器和執(zhí)行器，計算處理更為復雜。

　　四氣缸的經(jīng)濟高效的引擎設計，在中國和印度等亞洲市場已變得普及起來。在這些市場，政府法規(guī)已經(jīng)開始要求汽車制造商生產(chǎn)更經(jīng)濟高效的引擎來減少廢氣排放。這給動力傳動系統(tǒng)帶來了新的機遇，特別是在2～4缸的小型引擎應用領域。Bernd認為這些領域的MCU性能需要進一步提升，但是成本也需得到有效控制。

　　雖然當前在中國等新興市場16位MCU占據(jù)動力總成控制市場的主流，但是飛思卡爾最近推出的MPC563xM系列正在一定程度上加快了32位MCU拓展的步伐。MPC563xM是飛思卡爾自2006年1月啟動與STMicroelectronics的聯(lián)合開發(fā)項目后，所生產(chǎn)的第一批汽車產(chǎn)品，ST還提供結構上相似的雙源產(chǎn)品。它包括3個32位動力總成MCU，采用了飛思卡爾著名的Power Architecture技術，增強了動力總成的功能，如片上排放控制等，而且還滿足了引擎和變速箱供應商的成本限制。

　　MPC563xM由1.5 MB的閃存、81KB的SRAM和能擴展為80 MHz的Power Architecture內(nèi)核組成。其特點是增加了芯片減震系統(tǒng)，實現(xiàn)減少相同燃油量3-5%的二氧化碳排放。芯片減震系統(tǒng)直接將檢測油箱爆震的傳感器連接到563xM上，片上增益和傳感器偏差可變，不再需要有源外部組件。另外，作為飛思卡爾MCU的特點之一，eTPU (可編程的增強型定時處理單元)在系統(tǒng)中分擔了CPU的部分工作，包括引擎的簡單控制等，而CPU負責火花控制等功耗更大的處理。

　　為了控制成本，增加MPC563xM系列的性價比，MPC563xM是飛思卡爾第一個帶QFP（四邊扁平封裝）選項的動力總成器件系列，使開發(fā)更簡單、成本更低。QFP包含看得見的引腳，不需要采用費用高昂的紅外線和X射線檢測技術，因而使封裝的安裝、檢測和修理變得更方便、便宜。此外，MPC563xM器件軟件與飛思卡爾現(xiàn)有的MPC55xx系列兼容，支持代碼共享，有助于降低汽車制造商的開發(fā)成本。

　　汽車電子于細微處改變汽車行業(yè)

　　2008年汽車電子行業(yè)的新趨勢將集中在減排、舒適與安全等領域，汽車對電子設備的需求依然在增長，同時會出現(xiàn)架構更加復雜的組合電子設備。另一個面向未來的重要趨勢是全球市場對LIN、CAN、Flex Ray等車載網(wǎng)絡的需求持續(xù)增長。

　　綠色環(huán)保也已成為汽車電子領域的熱點話題。恩智浦半導體汽車電子和智能識別產(chǎn)品大中華區(qū)高級市場總監(jiān)張煥麟認為，最終改變汽車行業(yè)的不是豪華氣派的車身和時尚潮流的色彩，而是用于車輪、底盤及儀表板的那些微小的電子測量、控制和驅(qū)動元件。恩智浦將電子技術實現(xiàn)綠色環(huán)保的關鍵領域分為三部分，無論哪一部分，傳感器均功不可沒。

　　　• 胎壓：駕駛時，輪胎適當充氣不僅具有重要的安全意義，而且還可以節(jié)約燃料。由于胎壓不足，每天有四百萬加侖的燃料白白浪費掉（來源：美國國家公路交通安全管理局）。胎壓監(jiān)測傳感器正日益成為新型汽車的標準配置。

　　• 車載網(wǎng)絡：一輛典型的新型汽車有多達一百個電子控制模塊（如ABS、ESP、自動車窗、為兒童設計的后座娛樂系統(tǒng)等等），所有模塊都通過銅線實現(xiàn)相互通信。用于寶馬新款X5的FlexRay網(wǎng)絡及類似技術通過單個總線系統(tǒng)來運行，完全摒棄了銅線，從而使車體重量大幅減輕，平均減少100到200磅（即50至100公斤，約為一個普通成年人的體重），并將每箱燃料的行駛里程增加五英里。如果將此技術應用于全球所有車輛，每年可減少向大氣排放1500萬噸的二氧化碳。
• 引擎：油箱中燃料所生成的75%的能量會因引擎和動力傳動系統(tǒng)的低效及空轉而損失掉（來源：www.fueleconomy.gov）。當今汽車的電子控制單元（ECU）可實現(xiàn)控制和提供實時信息，以便計算機操控引擎的排量狀態(tài)。ECU可讀取位于引擎曲軸和凸輪軸處的傳感器，從而調(diào)節(jié)燃料流量和相應進氣量，甚至可調(diào)整各種轉速及引擎負荷情況下的打火時間。在引擎內(nèi)部的惡劣條件下，對耐高溫精密測量系統(tǒng)的設計是極為復雜的，不過一旦應用此系統(tǒng)即可顯著節(jié)約燃料。 
 
　　　　　
　　
　　圖2 恩智浦半導體汽車電子和智能識別產(chǎn)品大中華區(qū)高級市場總監(jiān)張煥麟

　　張煥麟表示，恩智浦是汽車行業(yè)的趨勢設定者，對下一步能夠橫掃市場的創(chuàng)新有著良好的認知，并深知汽車行業(yè)應在何時做好準備，支持車載連接性解決方案等創(chuàng)新之舉。未來的汽車將比如今擁有更多的功能，無線USB就是一個很好的例子，它為車載電子產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了最簡便的途徑，例如可以從中控面板向后坐娛樂系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

　　迄今恩智浦的產(chǎn)品已經(jīng)獲得諸多重要產(chǎn)品市場的采用，如業(yè)內(nèi)第一款FlexRay收發(fā)器已應用于寶馬5系汽車，PNX9520車載媒體處理器已經(jīng)在Delphi為克萊斯勒開發(fā)的Sirius后坐娛樂系統(tǒng)中得到部署。今后還會有更多的新產(chǎn)品不斷面市。

　　2008年，恩智浦將特別專注于以下領域：

　　- Sirius后座娛樂系統(tǒng)
　　- 與ibiquity合作推出車載多標準數(shù)字地面收音機
　　- 與BMW Research合作研發(fā)基于NFC的汽車鑰匙
　　- FlexRay
　　- 數(shù)字收音機
　　- 放大器
　　- 車載電視接收
　　- 連接性
　　- 車載網(wǎng)絡（IVN）
　　- 汽車鑰匙創(chuàng)新
　　- 磁阻傳感器

　　功率器件提高系統(tǒng)架構整體功能

　　由于汽車系統(tǒng)的復雜性不斷增加，控制需要更高級別的集成度。帶有高效功能劃分的系統(tǒng)架構已成為業(yè)界一致追求的目標。功率器件現(xiàn)在包含許多保護和控制功能，并可在單個封裝中集成多個晶片，以便綜合多種硅技術的優(yōu)點，從而提高整體功能性，最大限度地降低成本?，F(xiàn)今車載系統(tǒng)的可制造性主要由元件級實現(xiàn)的功能性集成決定。在未來6年中，隨著許多應用的成熟和擴展，汽車電子含量預計每年將會以8% 至10% 的速度增長。這些應用將需要功能性集成元件，尤其是在功率管理及控制領域。
 
　　“市場對車載應用功率產(chǎn)品的要求正在全方位擴展，”飛兆半導體高級技術經(jīng)理張三嶺告訴記者：“ 0V到600V的功率器件正被廣泛運用于現(xiàn)今各類車輛中。”對于動力轉向和剎車等應用，研發(fā)工程師正在尋找低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSET，以降低車輛的功耗。其它應用，比如壓電噴射或高強度照明，需要100V 到 200V的功率器件和驅(qū)動器。最后，點火IGBT和混合動力車輛采用300V 到 1000V以上的IGBT。

　　 張三嶺介紹說，飛兆半導體提供的系列汽車電子方案包括分離功率器件和功率模擬器件，主要用于動力傳動、底盤、車體和便利性應用等的系統(tǒng)功率優(yōu)化，專注應用領域包括點火、直接燃油噴射、螺線管控制、繼電器替換、電機控制及照明。2008年，飛兆半導體將針對從動力傳動控制到車體電子和底盤等廣泛應用推出新的智能高邊開關、柵極驅(qū)動器IC和智能功率模塊，繼續(xù)拓寬其車載功能性功率產(chǎn)品業(yè)務。
 
　　　　　　

　　　　　　　　　　　　圖3 飛兆半導體高級技術經(jīng)理張三嶺

　　對于中國市場，張三嶺認為中國本土汽車市場不斷擴大為汽車電子，尤其是功率領域帶來了大量發(fā)展商機。鑒于汽車市場持續(xù)的價格壓力，將需要越來越多的本土廠商加入到這一市場來。此外，消費者對那些能夠提升舒適性和便利性功能的需求也日益增長，進一步推動了汽車市場中電子系統(tǒng)的發(fā)展，增長最快的系統(tǒng)包括動力傳動和車身電子。

　　非易失性 FPGA可靠性的競爭力正在提高

　　傳統(tǒng)意義上，汽車工程師一直依賴于微控制器 (MCU) 和 ASIC產(chǎn)品來實現(xiàn)和控制汽車上的電子系統(tǒng)，以及擴展每一代汽車電子的功能。現(xiàn)在，隨著部件數(shù)目越來越多、產(chǎn)品快速推出市場的壓力越來越大，以及對性能的要求越來越高，加上價格要合理、設計風險要低，許多設計人員開始轉向FPGA，作為面向下一代汽車電子設計的低成本解決方案。

　　根據(jù)市場研究機構Gartner Dataquest的估計，全球汽車半導體市場規(guī)模將從2007年的201億美元增長到2010年的295億美元。隨著動力傳動系統(tǒng)和排放標準 (比如混合動力、電動和柴油車) 的發(fā)展，車載信息通訊系統(tǒng)、安全和控制及舒適性功能日益普及，在未來三年，汽車FPGA的總市場容量 (TAM) 將從9,300萬美元增長到3.12億美元。

　　Actel 公司高可靠性產(chǎn)品總監(jiān) Ken O’Neill坦誠：“FPGA 要爭取這個總市場容量還要看個別的結構如何達到應用的要求。”例如，在汽車電子行業(yè)，質(zhì)量、可靠性和零瑕疵是最重要的問題，特別是在核心汽車系統(tǒng)中所用的半導體，如引擎控制模塊、動力傳動、車體電子和安全系統(tǒng)，并不能夠出現(xiàn)故障或失效。這些因素加上不斷改變的技術標準、產(chǎn)品過時問題、更大的推出市場壓力和提升性能的需求，正推動許多汽車設計者轉向非易失性的FPG。

　　非易失性 FPGA 提供更低的功耗，有助于緩減以 SRAM為基礎 FPGA常見的電子轉移和散熱可靠性的問題。基于SRAM的FPGA器件的功耗和熱耗散大，而額外的功率管理和冷卻措施會大幅增加其器件成本。這一點非常重要，因為高功耗和其它相關的熱問題會限制器件的使用壽命，特別是在要求嚴苛的引擎蓋應用下。

　　Ken指出，也許更重要的是，非易失性FPGA不會因中子和阿爾法離子誘發(fā)SRAM配置擾亂而產(chǎn)生邏輯錯誤。Actel基于Flash的FPGA獨特地采用了片上 Flash內(nèi)存來實現(xiàn)開關控制，使到該系列產(chǎn)品具有固件錯誤免疫能力；這是向著零瑕疵發(fā)展產(chǎn)業(yè)的強制性要求。相反地，基于SRAM的FPGA配置數(shù)據(jù)容易由于中子誘引而產(chǎn)生錯誤；這種錯誤會以不可預測的方式改變邏輯、布線或I/O的行為。對于關鍵性的汽車應用，如動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和車載信息通訊系統(tǒng)，這種邏輯錯誤有著重大的隱憂，因為以SRAM為基礎FPGA的FIT故障率通常已超出業(yè)界可接受的規(guī)范指標好幾個量級。

　　舉例說，對于采用 0.22 微米技術的 100 萬門密度 SRAM FPGA 來實現(xiàn)的乘客傳感器或安全氣囊控制器來說，預計的配置擾亂故障率為 4,375 個 FIT。如果這樣的安全系統(tǒng)被用在 500,000 輛汽車上，那么總的預計故障率將達到每天 52.5 起，即在群體中每 27.4 分鐘便會發(fā)生一次擾亂故障。由于這些故障都是 SRAM 配置內(nèi)存中發(fā)生的固件錯誤，由此產(chǎn)生的邏輯錯誤只能在 SRAM FPGA 重新加載后才能消除。

　　如果SRAM FPGA技術這種易于發(fā)生的固件錯誤廣泛傳播開來，代價將會如何？首先，由于現(xiàn)有的檢測技術無法防止已破壞的數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)，因此需要新的高質(zhì)量評測系統(tǒng)來檢查系統(tǒng)的固件錯誤。此外，針對已經(jīng)發(fā)生故障的FPGA (在目前的SRAM FPGA中不可能防止這些錯誤) 進行固件錯誤檢測和糾正的機制會給系統(tǒng)設計增加額外的復雜性，而且大幅增加板卡面積和部件數(shù)目。
以Flash 為基礎的解決方案具備固有的優(yōu)勢可應對相關的市場風險，因此，Actel 會繼續(xù)在汽車應用中專注于其它創(chuàng)新以 Flash為基礎系統(tǒng)的優(yōu)勢，包括混合信號Actel Fusion 可編程系統(tǒng)芯片或超低功耗 IGLOO器件。

　　　　　　　　　　
 
　　　　　　　　　圖4  Actel公司高可靠性產(chǎn)品總監(jiān) Ken O’Neill