胎壓監測系統(TPMS)技術(shù)與設計考慮

TPMS對于提高汽車(chē)安全性有舉足輕重的影響，輪胎是汽車(chē)和路面唯一直接接觸的部分。輪胎過(guò)于膨脹或處于充氣不足狀態(tài)都會(huì )影響汽車(chē)安全性。有很多車(chē)禍都因輪胎出現狀況而導致的。美國高速公路安全協(xié)會(huì )（NHTSA）也因此立法強制實(shí)施TPMS。

各種TPMS 系統技術(shù)和市場(chǎng)狀況

目前TPMS主要有三種實(shí)現方式：直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS。

現在的間接TPMS是與車(chē)輛的防抱死系統（ABS）一起使用的。ABS采用車(chē)輪轉速傳感器測量每個(gè)車(chē)輪的轉速。當一個(gè)輪胎的氣壓減小時(shí)，滾動(dòng)半徑就減小，而車(chē)輪的旋轉速度就相應地加快。

這個(gè)比率可用下列等式來(lái)表達(見(jiàn)公式1）。

如果這個(gè)比率偏離設定的公差，一個(gè)或更多輪胎就會(huì )過(guò)于膨脹或處于充氣不足狀態(tài)。然后，指示燈會(huì )提示司機，有一個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。但是，間接TPMS有一定的局限性。第一是指示燈無(wú)法指出是哪個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)。第二，當同一車(chē)軸或同一側的兩個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，它無(wú)法檢測出究竟是哪個(gè)輪胎充氣不足。第三，如果所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)，該系統不會(huì )發(fā)現這一故障。另外，氣壓不足時(shí)輪胎直徑的減少和氣壓的降低非常微小。對于薄胎來(lái)說(shuō)，69kPa (~10 psi)的壓降只會(huì )使直徑減小1mm。這種壓降不符合美國的最終判定規則（Final Ruling）所規定的25%原則，采用間接方法進(jìn)行檢測在很大程度上依賴(lài)于輪胎和負載因子。

直接TPMS采用固定在每個(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì )通過(guò)發(fā)送器將胎壓數據發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結果將被傳送至安裝在車(chē)內的顯示器上。顯示器的類(lèi)型和當今大多數車(chē)輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個(gè)輪胎充氣不足。由于直接TPMS可直接測量每個(gè)輪胎的氣壓，因此當任何一個(gè)或幾個(gè)輪胎處于低壓狀態(tài)時(shí)，它們都會(huì )檢測出這種狀態(tài)，當車(chē)輛的所有四個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)也可以檢測到。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統甚至可以檢測到7 kPa (~1.0 psi)的壓降。

為滿(mǎn)足多輪壓力檢測要求，常規的間接TPMS需要在系統中安裝兩個(gè)額外的胎壓傳感器和一個(gè)射頻接收器。胎壓傳感器要安裝在車(chē)輪上，兩個(gè)傳感器呈對角安裝。由于系統安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統也可以檢測到故障。但是，和間接系統相似，當兩個(gè)呈對角的輪胎（不帶直接氣壓傳感器）都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統只能檢測到一個(gè)輪胎充氣不足。

混合TPMS可以降低系統成本，但在系統可靠性和靈活性方面還不夠理想。并且它不能全部定位欠壓輪胎。

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，直接TPMS系統已逐漸演變?yōu)?個(gè)主要系統類(lèi)型，即主流型（低/中端）、帶有自動(dòng)定位功能的高端TPMS和結合ESP/ABS的TPMS系統。下表對各種系統類(lèi)型進(jìn)行概述：

情景1：TPMS配ABS/ESP——間接系統

許多OEM都從間接系統轉向了直接系統，因為直接系統的總體成本降低了。間接系統有太多的技術(shù)局限性，并且要求非常嚴格的場(chǎng)地測試。由于間接系統在美國市場(chǎng)遭受了太多的索賠，所以通常僅限于歐洲使用。因此，其市場(chǎng)份額不足10%。

圖1:間接TPMS的監測原理

情景2：主流（低/中端）TPMS——直接系統

受美國立法的推動(dòng)，覆蓋低/中端細分市場(chǎng)的主流TPMS的市場(chǎng)份額到2011年將超過(guò)50%。但是TPMS預計在歐洲、亞太地區和日本市場(chǎng)規模會(huì )很小，這是由于額外的系統成本和公眾對TPMS認知不足造成的。另外，TPMS系統通常是作為高端車(chē)型的選件提供，增裝的需求仍然很低，因為一般的車(chē)主對TPMS還不熟悉。

主流系統的主要推動(dòng)因素是價(jià)格。OEM需要一個(gè)能夠滿(mǎn)足美國高速公路安全協(xié)會(huì )（NHTSA）的各項要求，但不至導致低/中端車(chē)型的價(jià)格增加太多的TPMS的系統。主流系統的基本功能可以滿(mǎn)足NHTSA的各項要求，但是目前的狀況是每個(gè)OEM都有自己的TPMS系統，它并不是一個(gè)商品市場(chǎng)。

情景3：高端TPMS（自動(dòng)定位）——直接系統

高端TPMS是指將輪胎的自動(dòng)定位功能集成于直接TPMS系統。輪胎的自動(dòng)定位功能是指識別和區別4個(gè)輪胎發(fā)送的信息。在這種情況下，比如，右前輪的氣壓，無(wú)需任何人為操作，即可被正確識別并顯示出來(lái)。

如今的系統主要是在翼板中安裝低頻發(fā)射器天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行定位。有四個(gè)低頻發(fā)射器模塊用電線(xiàn)連接中央接收器模塊至翼板。中央接收器模塊將信號發(fā)送至這些低頻模塊以觸發(fā)特定的車(chē)輪模塊，比如右前輪。在這種情況下，只有右前輪的車(chē)輪模塊（而不是其余的車(chē)輪模塊）會(huì )反饋信息。將來(lái)，兩軸G傳感器將被用于實(shí)現輪胎的自動(dòng)定位功能。預計到2011年，高端TPMS系統的市場(chǎng)份額將達到30%。該系統也將成為未來(lái)TPMS/ESP集成的基礎（見(jiàn)情景4的描述）。

情景4：ESP/ABS和TPMS的結合——直接系統

該系統是未來(lái)的發(fā)展方向。在該系統中，TPMS系統將輪胎的附加信息提供給ESP系統，如重力、輪胎氣壓和溫度、路況和輪胎類(lèi)型等。這是未來(lái)高級ESP系統的發(fā)展趨勢。這種系統需要具備多軸重力測量和自動(dòng)定位功能，此外還需要采用低頻或“能量獲得”技術(shù)的無(wú)電池式系統。該類(lèi)系統將于2008年首次引入高端汽車(chē)（基于低頻系統）。預計到2011年，其市場(chǎng)份額將達到10%。

表1：直接與間接TPMS的比較

表2：TPMS類(lèi)型

TPMS的要求和設計挑戰

TPMS系統的要求有：低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(cháng)的工作壽命等。為實(shí)現10年使用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰。

在設計一個(gè)運行穩定、功效高的系統時(shí)，需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因為車(chē)輪模塊通常是用微控制器來(lái)執行命令的，所以應采用一種智能化算法實(shí)現預期的功效。例如，每次都要將一個(gè)完整的 8-bit參數傳輸到接收器嗎？或者，傳輸一個(gè) 1-bit參數低壓報警信號是否更加有效？多長(cháng)時(shí)間測量一次胎壓？系統總是測量所有參數，還是對一個(gè)參數的測量次數比其它參數多？應由車(chē)輪模塊執行參數計算還是接收器來(lái)執行？軟件工程師在設計TPMS系統時(shí)必須考慮這些問(wèn)題。

其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時(shí)，感應模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，這樣功耗最低。只有在收到喚醒信號后，傳感器才會(huì )進(jìn)行測量和數據傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備設計靈活性和其他一些優(yōu)勢。例如，低頻通訊可使系統通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令，以對輪胎進(jìn)行重新校準和定位。

第三種降低功耗的方法是使用滾動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測輪胎是靜止的還是運行的。因此，運算可通過(guò)如下方式進(jìn)行——只有當車(chē)輛運行時(shí)，才進(jìn)行相應的檢測和/或傳輸。

一些TPMS傳感器（比如SP30）集成了加速度計，該加速度計是一種檢測車(chē)輪旋轉的高G傳感器。因此，應用軟件可以用這種方法編寫(xiě)——即當加速度計的讀數低于某一水平時(shí)，表明車(chē)輛是靜止的或者非常緩慢地行駛著(zhù)，此時(shí)，TPMS可停止運行或以很低的頻率運行。一般的車(chē)輛在公路上行駛的平均時(shí)間大約為15%?？紤]到這一點(diǎn)，這種設計方案可以大幅度降低TPMS的功耗。

最后，通過(guò)選擇低功耗元件并通過(guò)使用具有集成功能的元件來(lái)盡可能減少元件數量，可獲得更高功率效率并降低系統總成本。

TPMS系統設計中還有一個(gè)非常重要的方面是傳感器的介質(zhì)兼容性。傳感器的精確性和可靠性在很大程度上受外部介質(zhì)的影響，如潮濕、灰塵和其它物質(zhì)如制動(dòng)液等。英飛凌的TPMS傳感器SP30采用夾層工藝，由夾在兩個(gè)玻璃層之間的單硅晶組成。傳感器元件具備卓越的介質(zhì)兼容性，因為其氣壓入口朝向硅膜片的背面。同時(shí)，芯片的封裝方式也會(huì )影響傳感器的性能。

英飛凌的SP30 TPMS傳感器幾年之前已進(jìn)入批量生產(chǎn)，迄今為止已銷(xiāo)售了數百萬(wàn)套。隨著(zhù)市場(chǎng)不斷要求更高的集成度和更低的系統成本，英飛凌將在2007年向亞太市場(chǎng)推出下一代產(chǎn)品SP35。SP35將集成車(chē)輪模塊所需的感應功能和發(fā)射功能。這就意味著(zhù)，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現有的SP30加外部射頻發(fā)射器集成電路（IC）解決方案相比，SP35系統解決方案將減少一個(gè)組件。

圖2：英飛凌的下一代TPMS傳感器SP35框圖

SP35集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數量外，它還可以降低系統總體成本，因為板卡設計更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。

另外一項重要的設計挑戰來(lái)自于無(wú)線(xiàn)控制，第一代TPMS發(fā)送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當的發(fā)射頻率。該ASK系統雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車(chē)輪（發(fā)送器安裝在其上）旋轉所導致的接收場(chǎng)強變化的影響。出于這一原因，現在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應用中，即使是在車(chē)輪高速旋轉時(shí)，FSK都具備可靠的射頻通訊功能。

英飛凌的超高頻（UHF）發(fā)射器TDK51xxF系列設計用于315MHz、434MHz、868MHz和915 MHz等頻段，可同時(shí)支持 ASK調制和FSK調制。該產(chǎn)品系列具備一個(gè)完全集成的鎖相環(huán)（PLL）合成器和一個(gè)高效功率放大器以驅動(dòng)環(huán)路天線(xiàn)。其典型功耗為7mA（當電阻為50Ohm，射頻輸出功率為5dBm時(shí)），該設備可在-40°C到+125°C的汽車(chē)運行溫度范圍內運行。

英飛凌還提供用于不同頻段的各種接收器芯片，集成了各種功能，這樣系統設計人員就可使用最少的元件，從而降低系統成本。在FSK調制模式下當接收頻率為434MHz時(shí)，低達3.9-7.5mA的工作電流，以及高達-100dBm的敏感度。（測定條件：FSK頻偏為+/-50kHz，誤碼率為2xE-3比特誤差率，曼徹斯特編碼方式，數據率為4KHz，中頻帶寬為280KHz）。

無(wú)線(xiàn)控制設計考慮因素

采用英飛凌TDK51xxF發(fā)射器時(shí)需要考慮以下因素：

(1). 天線(xiàn)選擇和匹配網(wǎng)絡(luò )。模擬和測試已經(jīng)證明，與常規的接地天線(xiàn)相比，環(huán)路天線(xiàn)更加有效并且帶寬更寬。環(huán)路天線(xiàn)通常被印刷在電路板上，并且要適當匹配才能獲得最佳效率。但是，有幾個(gè)常見(jiàn)的外界因素會(huì )影響天線(xiàn)的性能和阻抗，如手效應——會(huì )改變自由空間(?0)和金屬物體附近的介電常數，而且這些因素對于獲得準確的測量結果來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，并且必須被考慮在內。這被證明是TPMS系統設計者所面臨的一大挑戰，因為天線(xiàn)必須在盡可能多的實(shí)時(shí)影響因素同時(shí)出現的情況下進(jìn)行測量，即要同時(shí)調整天線(xiàn)電阻網(wǎng)以及安裝在邊框上或靠近底部的發(fā)射器模塊。

(2). 功率模式。在電源關(guān)閉模式下，整個(gè)芯片是不通電的，電流消耗一般為0.3nA。通過(guò)將FSKDTA切換到HIGH（因為未連接PWDWN）可以進(jìn)入PLL激活模式。在這期間，PLL接通電源，但功率放大器關(guān)閉，以便在PLL需要穩定時(shí)避免不必要的功率輻射。

采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調制的功率模式示例（沒(méi)有連接PDWN）

圖3：采用FSKDTA和ASKDTA進(jìn)行FSK調制的功率模式示例（沒(méi)有連接PDWN）

PLL的導通時(shí)間主要由晶體振蕩器的導通時(shí)間決定，當使用規定的晶體時(shí)，導通時(shí)間小于1 msec。PLL本身需要大約10?s的時(shí)間鎖定。在PLL啟用期間，電流消耗一般為3.5 mA。TDK51xxF上的功率放大器由ASKDTA接通至HIGH位置。在此期間，FSKDTA可以發(fā)送。當將適當的變換網(wǎng)絡(luò )應用于PAOUT時(shí)，集成電路的電流消耗一般為7mA。

(3). 晶體部分。發(fā)射器晶體板應被屏蔽和接地，并且遠離天線(xiàn)，以避免來(lái)自功率輸出的干擾。同樣的原理，發(fā)射時(shí)鐘輸出應遠離晶體輸入，并且所有晶體跡線(xiàn)長(cháng)度應盡可能短。

(4). 電路板接地。在電路下面進(jìn)行牢固的接地是很重要的，射頻和集成電路（IC）接地應彼此分開(kāi)。

(5). 匹配元件布置。所有匹配的元件彼此應盡量正交放置在接地平面上，如果可能的話(huà)，它們的并聯(lián)匹配元件都應彼此分離。

(6). 天線(xiàn)設計部分。天線(xiàn)應總是放置在“自由空間”（無(wú)交流電源接地）內并且應使天線(xiàn)與接地層的距離至少為5mm。如果使用環(huán)路天線(xiàn)，必須進(jìn)行對稱(chēng)設計。

(7). 去耦合電容布置。去耦合電容必須盡可能靠近Vs和地。

英飛凌的TDA52xx是一種專(zhuān)門(mén)用于短程遙控的單片接收器。超外差接收器（SHR）的基本結構由低噪聲放大器（LNA）和前端的混頻器構成，IC進(jìn)行了高度集成并且只需很少的外部元件。該器件包括一個(gè)低噪放大器（LAN）、雙平衡混頻器、完全集成的壓控振蕩器（VCO）、PLL合成器、晶體振蕩器、帶RSSI發(fā)生器的限幅器、PLL FSK解調器、數據濾波器、數據比較器（分割器）和峰值檢波器等。此外，該器件還具備斷電功能以延長(cháng)電池工作時(shí)間。采用英飛凌TDA52xx接收器需要考慮以下因素。

圖3：英飛凌的TDA5210超高頻（UHF）接收器的框圖

(1). 用SAW濾波器克服外界干擾。為提高選擇性和鏡頻抑制比，可在天線(xiàn)和LAN入口之間放置一個(gè)SAW前端濾波器。這樣即可有效克服帶外干擾信號造成接收器堵塞的問(wèn)題。窄帶前端SAW濾波器的功率，必須與輸入側的天線(xiàn)和位于輸出側的LNA相匹配，以獲得扁平通帶、低插入損耗和良好的抑制效應。所有的PCB跡線(xiàn)都要盡可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由SAW濾波器供應商推薦的輸入和輸出匹配元件的值可以作為一個(gè)很好的參考指南。

(2). 提高接收器的靈敏度。有很多可能影響到接收器靈敏度的因素，我們可以對每個(gè)因素進(jìn)行調節以使接收器的靈敏度最優(yōu)化。為獲得更好的靈敏度和接收器性能，從前端匹配、LNA/Mixer電路、中頻濾波器和晶頻、到數據濾波器和數據分割器都要進(jìn)行仔細調節。

結論

TPMS市場(chǎng)目前的主角是采用電池的直接系統。無(wú)電池直接系統可能于2008年與ESP系統一道面向高端汽車(chē)推出。預計到2011年，這種系統的銷(xiāo)量將達到1.69億套，其后5年之內的年均增長(cháng)率將達到29%。元件的正確選擇、電源管理、介質(zhì)兼容性、系統成本和射頻設計都是工程師在設計直接TPMS時(shí)需要克服的主要設計難題，這些因素對于商業(yè)成功至關(guān)重要。