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)力汽車的開關(guān)以及微型混合動(dòng)力汽車上的集成式啟動(dòng)器交流(ISA)等。
國際整流器公司(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)過改進(jìn)的相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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方形扁平無引腳封裝(PQFN)或SO-8封裝相同。
具有HDCP功能的SerDes芯片組
美國國家半導(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和駕駛輔助系統(tǒng)的需求。例如，它可以用于將來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。華納兄弟娛樂公司、迪斯尼公司和索尼影視娛樂等主要內(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
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)啟停功能帶來的問題。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2千萬部。
由于電池是電力的唯一來源，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
隨著汽車變革步伐的加快，能夠解決其它汽車系統(tǒng)中的變革引起的問題的及時(shí)創(chuàng)新IC將變得越來越普遍。
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，從舶來品到成熟的技術(shù)，傳感器開創(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三年內(nèi)開始使用電動(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動(dòng)駕駛桿或轉(zhuǎn)向齒條的電動(dòng)馬達(dá)?；魻柶骷?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?。首款產(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“開通”和“關(guān)斷”的開漏輸出。
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?？刂破骷ㄟ^來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)量駕駛員通過圍繞扭力桿的兩個(gè)同心圓的操作所施加的轉(zhuǎn)向力。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(參見圖4)。
1. 傳感器接口要求
傳感器一般通過控制器局域網(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)。
PSI5是專門用于安全氣囊系統(tǒng)的二線接口。曼徹斯特編碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)125kbps的數(shù)據(jù)傳輸速度、高EMC魯棒性和低輻射。除了規(guī)定各種傳感器供電電流之外，協(xié)議還支持備用的連接(參見圖5)。
2. 攝像頭和雷達(dá)傳感器
當(dāng)今汽車中最復(fù)雜的傳感器可能是能夠拓寬駕駛員視野的傳感器。攝像頭和雷達(dá)傳感器通常應(yīng)用于高端汽車中，但是多家供應(yīng)商正在致力于拓寬這些傳感器在汽車中的應(yīng)用范圍。Delphi、TRW和Continental公司采用的技術(shù)各不相同。
Delphi公司在其停車引導(dǎo)系統(tǒng)中使用了后視攝像頭，而不是超聲波傳感器。該公司聲稱，該系統(tǒng)是停車問題的低成本解決方案。高級(jí)算法獲取攝像頭提供的信息，然后確定是否有足夠的停車空間并計(jì)算后退路徑。駕駛員接收語言形式的停車逐步指示和汽車顯示屏上的視覺指示?？蓴U(kuò)展性使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種停車輔助方案，這取決于汽車制造商的要求。
TRW公司希望其AC100 24GHz雷達(dá)技術(shù)能夠讓其碰撞減輕制動(dòng)(CMB)系統(tǒng)應(yīng)用于廣闊的汽車市場(chǎng)中，該雷達(dá)傳感器的價(jià)格為77 GHz雷達(dá)傳感器價(jià)格的一半左右。TRW的CMB技術(shù)用于解決城市交通和交通堵塞引起的問題，該技術(shù)應(yīng)用于近距離(6-7米，即20-23英尺)。在該距離內(nèi)，可以通過制動(dòng)以有限的減速將速度降低20kph (12.4 mph)，從而防止發(fā)生碰撞。
在150m(492英尺)的范圍內(nèi)，24GHz的雷達(dá)還能支持自適應(yīng)巡航控制等駕駛輔助功能。這使得該技術(shù)能夠用于車速高達(dá)160kph(99.4mph)的高速公路上。城市和高速駕駛相結(jié)合可以滿足當(dāng)今大眾市場(chǎng)汽車的諸多需求。
整合雷達(dá)和基于攝像頭的視覺傳感器的優(yōu)勢(shì)已在多款汽車中得以體現(xiàn)。不過，Continental公司的工程師正在力圖通過整合來進(jìn)一步防止事故的發(fā)生。在制動(dòng)空間不足的實(shí)例中，駕駛員圍繞障礙物轉(zhuǎn)向以便防止碰撞的能力可提供另一種防撞備選方案。Continental公司的緊急轉(zhuǎn)向輔助概念利用來自雷達(dá)的長距離信息，有望增加來自攝像頭系統(tǒng)的視頻圖像，這與已用于智能大燈控制的做法比較類似。這種整合可在高速公路上為駕駛員提供范圍較遠(yuǎn)的威脅評(píng)估。
EPS和ESC配合使用時(shí)，駕駛員可以向右側(cè)或左側(cè)轉(zhuǎn)向，避免發(fā)生碰撞(特別是在始料未及的停車情況下)。ESC的滾動(dòng)旨在快速轉(zhuǎn)向操作時(shí)使汽車保持在路面上，并通過選擇性地將最初的制動(dòng)壓力施加到各個(gè)車輪上來穩(wěn)定汽車。由于用于ESA的所需元器件已在許多汽車中得以應(yīng)用，因此Continental公司的工程師自信地認(rèn)為，汽車制造商能夠以相對(duì)便宜的價(jià)位實(shí)現(xiàn)這一功能(參見圖6)。
圖6： Continental的緊急轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)顯示了EPS如何與其他車載系統(tǒng)協(xié)作以避免事故
1. 改進(jìn)的無線技術(shù)
隨著為汽車開發(fā)新通信系統(tǒng)的工作的不斷推進(jìn)，IC供應(yīng)商正在瞄準(zhǔn)諸多現(xiàn)有的無線應(yīng)用。當(dāng)然，集成的優(yōu)勢(shì)在最新的IC中非常明顯，它可以在更小的空間內(nèi)提供更多的功能，并降低總系統(tǒng)成本。Atmel的用于混合密鑰應(yīng)用的單芯片高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)-128發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)和RKE微控制器就是這樣一個(gè)例子。ATA5795特別針對(duì)同一鑰匙中集成了發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)和RKE功能的大批量單向汽車鑰匙。
內(nèi)置ATA5795的鑰匙與汽車中的接收器通信(圖7)。ATA5795中的N分頻發(fā)射器覆蓋315MHz和433MHz頻帶。AES-128加密引擎同時(shí)用于發(fā)動(dòng)機(jī)防盜系統(tǒng)和RKE功能，可在兩個(gè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)類似的安全方案。5mm×5mm的QFN封裝中可容納所有的芯片集成電路及其超低功耗的AVR內(nèi)核，因此適合鑰匙的小電路板空間。
STA680可同時(shí)解調(diào)來自兩個(gè)TDA7706的兩個(gè)不同的高清廣播流。該芯片組通過雙音頻流處理來滿足單通道和雙通道高清應(yīng)用的需求。在雙通道配置中，系統(tǒng)可以同時(shí)解調(diào)來自第一個(gè)廣播頻道的音頻和數(shù)據(jù)以及來自第二個(gè)廣播頻道的數(shù)據(jù)(圖8)。它還可以接收來自一個(gè)頻道的音頻內(nèi)容，同時(shí)獲取來自另一個(gè)頻道的交通或天氣數(shù)據(jù)。
圖8：STA680 RF前端IC能夠同時(shí)解調(diào)來自兩個(gè)獨(dú)立射頻通道音頻和數(shù)據(jù)，從而為高清廣播用戶提供更多的收聽選擇
該芯片組內(nèi)置在Alps Electric模塊中，并被iBiquity Digital公司確認(rèn)為可滿足全面的性能要求。
2. 汽車面臨的無線技術(shù)難題
盡管可用的無線技術(shù)很多，但是一些車主可能并不滿足于OEM提供的這些無線技術(shù)，他們也可能傾向于用一些最新的無線技術(shù)更新舊汽車?？赡茏畲蟮碾y題之一在于在常規(guī)通信時(shí)或者汽車靠近蜂窩基站邊沿時(shí)缺少可用的手機(jī)信號(hào)。另一個(gè)必須解決的問題是讓后座乘客在行車時(shí)保持安靜。
Wilson Electronics公司的Sleek手機(jī)信號(hào)增強(qiáng)器可放大發(fā)送至和來自北美蜂窩基站的信號(hào)。該信號(hào)增強(qiáng)器(器件號(hào)815226)的工作頻率為800MHz(蜂窩)和1900MHz (PCS)頻帶，該器件可減少掉線，擴(kuò)大信號(hào)范圍，并提高數(shù)據(jù)速率。完整的系統(tǒng)套件包括一個(gè)適合各種蜂窩手機(jī)和智能手機(jī)形狀的支架，一根天線和一個(gè)電源適配器(圖9)。
815226的增益為20db(最大輸出功率為1.82W或32.6dBm)，噪聲系數(shù)為3.0dB(標(biāo)稱值)。該器件符合蜂窩設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已獲得美國聯(lián)邦電信委員會(huì)的承認(rèn)，且滿足加拿大工業(yè)部的要求。
iSuppli公司汽車研究部副總裁Phil Magney表示，后座娛樂(RSE)系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜程度正變得越來越高。根據(jù)iSuppli車載數(shù)字娛樂門戶網(wǎng)站的分析，Magney預(yù)計(jì)截至2015年OEM RSE的交付量將從2009年的310萬部增長到560萬部。并且這種增長的基礎(chǔ)并不僅僅依靠DVD播放機(jī)的增長。不斷增長的選擇方案列表包括游戲機(jī)系統(tǒng)、品牌音頻、高清廣播、USB、MP3連接、移動(dòng)電視、更大的顯示屏尺寸和WiFi。
娛樂設(shè)備的發(fā)展將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出為小孩解悶這一范疇，不過低齡后座乘客仍將是這些產(chǎn)品的主要使用者。為了讓低齡兒童擺脫有線的困擾，Kidz Gear引進(jìn)了針對(duì)小孩的IR68KG02無線汽車耳機(jī)。
如果汽車不附帶針對(duì)兒童的無 線耳機(jī)，或者安裝了后裝系統(tǒng)，紅外(IR)無 線耳機(jī)則可以為這些低齡兒童提供適合的尺寸。該耳機(jī)與具有單通道內(nèi)置IR DVD/視頻系統(tǒng)的美國汽車兼容，可在耳機(jī)上提供獨(dú)立的音量控制，空閑時(shí)可自動(dòng)關(guān)斷。使用IR技術(shù)可以避免不斷增長的RF無線信號(hào)可能造成的干擾。
（轉(zhuǎn)載）
