汽車電子設(shè)計(jì)趨勢(shì):要安全還是節(jié)能環(huán)保?

　　本文重點(diǎn)關(guān)注汽車安全和綠色環(huán)保設(shè)計(jì)趨勢(shì)，討論實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并分享領(lǐng)先汽車半導(dǎo)體廠商的獨(dú)特觀點(diǎn)及最新解決方案。

　　可視安全監(jiān)控系統(tǒng)

　　具有高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，再加上功能強(qiáng)大的處理器、DSP、FPGA、圖像傳感器和復(fù)雜算法，正在開創(chuàng)汽車視覺系統(tǒng)的新時(shí)代車。比如，后視攝像系統(tǒng)上的警告符號(hào)通過(guò)變化大小和顏色來(lái)提醒司機(jī)注意檢測(cè)最近物體。注意力告警系統(tǒng)可以使用裝在司機(jī)門上和中央控制臺(tái)上的紅外攝像機(jī)來(lái)記錄和分析司機(jī)的眼睛運(yùn)動(dòng)，并在司機(jī)的眼睛合上的時(shí)間超過(guò)正常眨眼的時(shí)間時(shí)發(fā)出聽得見、看得到的告警。車道偏離告警系統(tǒng)使用攝像機(jī)來(lái)監(jiān)視道路標(biāo)志線之間的車輛位置。

　　對(duì)汽車安全應(yīng)用中的圖像傳感器而言，其新興開發(fā)領(lǐng)域正是這些基于視覺的系統(tǒng)?！暗?，面向這些應(yīng)用的圖像傳感器面臨一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括低光照條件下(小于1lux)的低光敏感度(或響應(yīng)度)、極小的封裝尺寸以及色彩的寬動(dòng)態(tài)范圍?！監(jiān)mniVision公司的高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理InayatKhajasha表示。

　　OmniVision是為基于視覺的汽車系統(tǒng)提供圖像傳感器的領(lǐng)先供應(yīng)商，提供廣泛的汽車傳感器產(chǎn)品系列，包括CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器。該公司的OV7960可解決以上挑戰(zhàn)，該產(chǎn)品的低光敏感度大于12V/lux-sec，采用最小的AutoVisionCSP(aCSPTM)封裝，體積比競(jìng)爭(zhēng)的CMOS器件小50%。此外，OmniVision公司是目前唯一能為新興應(yīng)用，比如360度全景應(yīng)用提供100萬(wàn)像素傳感器(OV9715)的公司。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)180度失真校正的圖像，而不損失任何圖像質(zhì)量。

　　在這些主動(dòng)安全系統(tǒng)中，除了攝像頭外，還有一個(gè)主要的元件就是高速雷達(dá)。飛思卡爾半導(dǎo)體汽車電子工程經(jīng)理康曉敦介紹道：“隨著圖像傳感器技術(shù)，比如CCD技術(shù)的提高，可視系統(tǒng)在硬件方面已沒有太多難度，主要是軟件策略及算法方面還存在一些挑戰(zhàn)。高速雷達(dá)就不同了，由于主動(dòng)安全系統(tǒng)要求很高的速度(現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是77GHz)，所以需要用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)新的器件來(lái)滿足要求?！?/p>

　　飛思卡爾正在采用硅鍺(SiGe)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)77GHz毫米波雷達(dá)的射頻(RF)芯片，主要面向車間距控制系統(tǒng)及預(yù)防碰撞安全系統(tǒng)等的車間距檢測(cè)用途。與使用砷化鎵(GaAs)技術(shù)的毫米波雷達(dá)射頻芯片相比，這種芯片的成本預(yù)計(jì)要低50%。

　　汽車視覺系統(tǒng)需要采用數(shù)字信號(hào)處理單元將實(shí)時(shí)圖像做畸變矯正處理。雖然是圖像處理算法，但實(shí)時(shí)圖像的高碼率、各種鏡頭的曲率、不同的畸變情況都對(duì)算法和DSP的性能有較高要求。

　　“汽車設(shè)計(jì)的要求是高性能、低功耗、有競(jìng)爭(zhēng)力的成本和高度互聯(lián)的器件。我們專門針對(duì)汽車市場(chǎng)推出了多個(gè)SHARC和Blackfin處理器產(chǎn)品。在這些系列中擁有多個(gè)引腳兼容器件，因此客戶能夠?qū)⒁环N設(shè)計(jì)拓展成幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方案?！?a target="_blank">ADI技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理詹柯表示。

　　Blackfin架構(gòu)的目標(biāo)應(yīng)用是基于視覺的ADAS，SHARC架構(gòu)的目標(biāo)應(yīng)用是基于雷達(dá)的領(lǐng)域。此外，ADI公司提供汽車安全系統(tǒng)中所用的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性加速度計(jì)和陀螺儀。在今年早些時(shí)候，ADI還與英飛凌公司合作研發(fā)下一代汽車安全氣囊系統(tǒng)。

　　此外，在設(shè)計(jì)駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，除了要考慮采用高集成度和低功耗的元器件時(shí)，還應(yīng)當(dāng)同時(shí)注重可靠性。“因?yàn)檫@類系統(tǒng)所做出的操作決定，關(guān)乎車內(nèi)外人員的人身安全，所以隨著汽車中使用的電子裝置越來(lái)越多，廠商必須仔細(xì)挑選有助于開發(fā)出可靠解決方案的元器件?！?a href="http://srfitnesspt.com/tags/actel/" target="_blank">Actel公司軍用和航天產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)KenO’Neil表示。

　　針對(duì)可靠性的關(guān)注，Actel提供ProASIC3可重編程FPGA系列。ProASIC3采用0.13?m節(jié)點(diǎn)工藝，是可達(dá)到135°C結(jié)溫的FPGA器件。隨著工藝尺度縮小，半導(dǎo)體芯片中的晶體管數(shù)目越來(lái)越多，閾值下的漏電流也越來(lái)越突出，因而熱耗散也越來(lái)越大，而ProASIC3FPGA則不存在這類問(wèn)題，因而可用于極為關(guān)鍵的應(yīng)用中，如溫度和或可靠性考量均極為重要的各種引擎罩下應(yīng)用。

　　另一個(gè)汽車安全應(yīng)用是防盜裝置。防盜裝置也將引入視覺系統(tǒng)，這也是面向汽車安全應(yīng)用的圖像傳感器的另一個(gè)新開發(fā)領(lǐng)域。InayatKhajasha對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述：如果一個(gè)未經(jīng)授權(quán)的人試圖開車，防盜裝置將采集圖像甚至是視頻，并將這些信息發(fā)送給中心監(jiān)控站。此外，如果有人破車而入，防盜裝置還將提醒車主。

　　不過(guò)，被動(dòng)無(wú)鑰門禁(PKE)/遙控?zé)o鑰門禁(RKE)加發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止系統(tǒng)(Immobilizer)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)防盜控制仍然是主流設(shè)計(jì)。更高級(jí)的設(shè)計(jì)則采用增加gps和無(wú)線通訊(如3G)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛被盜后的報(bào)警及被盜車輛的跟蹤等?？禃远乇硎荆骸八羞@些設(shè)計(jì)均需要有很好的RF設(shè)計(jì)及無(wú)線通訊設(shè)計(jì)，這應(yīng)該是此類應(yīng)用設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)之一?！?/p>

　　恩智浦半導(dǎo)體(下文簡(jiǎn)稱NXP)汽車電子事業(yè)部的大中華區(qū)銷售經(jīng)理、汽車安全與舒適市場(chǎng)經(jīng)理張建臣認(rèn)為，防盜設(shè)計(jì)的另一個(gè)趨勢(shì)是將汽車引擎防盜系統(tǒng)和遙控鑰匙功能升級(jí)到PKE(無(wú)鑰匙系統(tǒng)),從而給駕乘者帶來(lái)更加方便和舒適的體驗(yàn);或者用將引擎防盜與遙控鑰匙功能集成在一起的方案來(lái)替代分立方案以節(jié)省成本和鑰匙的體積。

　　NXP推出了未來(lái)鑰匙的概念,鑰匙可以和手機(jī)或PDA進(jìn)行無(wú)限連接,使得更多應(yīng)用成為可能，包括汽車狀況的監(jiān)測(cè)、尋車定位功能(包括被盜車輛的跟蹤)、旅游規(guī)劃等。此外，NXP提供新的HITAG3以及aes128等新的安全算法,使得汽車進(jìn)入(鑰匙及引擎防盜)功能更加安全可靠。

　　混合動(dòng)力減能耗

　　長(zhǎng)期來(lái)看，汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是減少能源消耗和氣體排放。從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在已有不同“綠色汽車”設(shè)計(jì)，其中一些設(shè)計(jì)能讓消費(fèi)者以更少的預(yù)算滿足他們的需要。比如，啟動(dòng)/停止(Start-stop)功能便是一個(gè)價(jià)錢合理的節(jié)能功能。這種功能使內(nèi)燃機(jī)在汽車遇上紅燈或者堵車時(shí)便會(huì)自動(dòng)暫停運(yùn)作。整個(gè)啟動(dòng)/停止功能涉及的額外成本僅為300元美金，但能節(jié)省3%到10%的燃料，效果十分顯著。如果汽車在交通非常擁擠的城市中行駛，甚至可以節(jié)省高達(dá)25%的燃料。

　　另一種情況是，汽車越輕，需要的燃料越少。如今一輛典型的汽車擁有多達(dá)100個(gè)電子控制模塊(如ABS、ESP、自動(dòng)車窗、為兒童準(zhǔn)備的后座娛樂系統(tǒng)等等)，所有模塊都通過(guò)銅線實(shí)現(xiàn)相互間的通信。如果采用FlexRay以及類似技術(shù)通過(guò)單個(gè)總線系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行，完全摒棄銅線，則能使車體重量大幅減輕。NXP的車載網(wǎng)絡(luò)總線產(chǎn)品(包括CAN/LIN總線收發(fā)器)具有更低的功耗、更好的EMC和ESD性能，是滿足這類應(yīng)用需求的理想方案。

　　采用替代燃料的汽車和EV/HEV是汽車綠色設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。與傳統(tǒng)汽車相比，HEV的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要更多的電氣管理系統(tǒng)，帶來(lái)了電源管理的新挑戰(zhàn)。

　　“對(duì)于EV/HEV，其面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是保持電池能量密度(每公斤封裝電池質(zhì)量的kW-hr容量);然后就是如何設(shè)計(jì)高效的逆變器，如何設(shè)計(jì)高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器以便為12V負(fù)載供電，以及如何以廉價(jià)方式制造以上器件，而且實(shí)現(xiàn)最小的重量和尺寸?！憋w兆半導(dǎo)體的汽車市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理RoyDavis表示。

　　飛兆半導(dǎo)體的車身電子/智能開關(guān)業(yè)務(wù)部總監(jiān)GaryWagner進(jìn)一步解釋道：“具體而言，功率技術(shù)方面存在的挑戰(zhàn)包括：降低封裝硅器件(或其它半導(dǎo)體)的成本;減少封功率級(jí)的占位面積;減少開關(guān)器件的損耗;提高散熱性能并同時(shí)提高硅器件(或其它半導(dǎo)體)和封裝的工作溫度，以及使用更新的開關(guān)技術(shù)和功率電路拓?fù)??！?/p>

　　解決這些設(shè)計(jì)難題需要輕量封裝材料、創(chuàng)新的緊湊型散熱方案、高效功率開關(guān)器件和控制技術(shù)，以及改進(jìn)磁性材料在電感和變壓器中的使用，使得這些器件更小、也更輕。飛兆半導(dǎo)體的模塊和FANxxxx系列器件，以及能夠轉(zhuǎn)換至汽車應(yīng)用而有助于降低能耗的任何PWM控制器都被用來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。

　　HEV設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是高電壓?！坝捎谳p度、全面及插電式HEV需要600V到1,200V之間的高電壓電子系統(tǒng)，這令設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。必須根據(jù)汽車的種類、大小和用途，在10kW到超過(guò)100kW的范圍去驅(qū)動(dòng)引擎。HEV的高電壓架構(gòu)還要部署額外的周邊系統(tǒng)以及能源和電池管理單元?！眹?guó)際整流器公司(下文簡(jiǎn)稱IR)汽車產(chǎn)品副總裁及總經(jīng)理HenningM.Hauenstein博士表示。

　　除此之外，還須要把電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)和其他新式電子系統(tǒng)集成到新的HEV汽車架構(gòu)內(nèi)，新式電子系統(tǒng)包括能實(shí)現(xiàn)12V和高電壓電源網(wǎng)之間能源傳送的DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等眾多電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。Hauenstein博士指出：“這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐郧捌囯娮酉到y(tǒng)都習(xí)慣在12V電池環(huán)境下工作，但現(xiàn)在要面對(duì)高電壓電子帶來(lái)的對(duì)設(shè)備和生命安全的威脅，必須要把這些危險(xiǎn)的電子系統(tǒng)安全地隔離?！?/p>

　　IR能為一部現(xiàn)代化HEV中的幾乎所有功率管理應(yīng)用提供全面芯片組解決方案，包括高電壓驅(qū)動(dòng)器IC、智能功率IC、智能開關(guān)、MOSFET以及適用于低、中和高達(dá)1,200V的高電壓IGBT開關(guān)。該公司最近推出了無(wú)鍵合線汽車用DirectFET產(chǎn)品線。這種革命性的MOSFET封裝新概念，不但為DC/DC轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)非常低的RDS(ON)，還同時(shí)免除了鍵合線，使快速開關(guān)狀況下的寄生電感基本上為零。

　　由此可見，雖然當(dāng)前HEV面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)還在于電池本身的技術(shù)，包括目前最新款鋰離子電在內(nèi)的電池，都存在技術(shù)限制和缺點(diǎn)，但領(lǐng)先汽車半導(dǎo)體廠商推出的最新電池管理和功率解決方案，正促進(jìn)電池不斷完善，以延長(zhǎng)電池的壽命并降低成本、體積和重量。