車(chē)身電子市場(chǎng)的主要趨勢和創(chuàng )新動(dòng)力

汽車(chē)電子元器件市場(chǎng)覆蓋率今后幾年有望持續增長(cháng)，主動(dòng)/被動(dòng)安全系統、增強型人機界面(抬頭顯示器、觸摸屏等)和車(chē)身便利功能領(lǐng)漲。值得一提的是，市場(chǎng)對更高品質(zhì)汽車(chē)的需求將會(huì )拉動(dòng)高端汽車(chē)銷(xiāo)量增長(cháng)。在2013~2018年間，中國汽車(chē)電子市場(chǎng)預計增長(cháng)最快，年復合增長(cháng)率有望達到3.5%。

隨著(zhù)汽車(chē)電子化水平不斷提高，汽車(chē)系統將會(huì )變得更加復雜，這將對車(chē)身電子系統構成影響，同時(shí)還給電子系統架構定義和有特殊應用要求/需求的設計帶來(lái)不小的挑戰：

●電力負載數量增多、空間和重量雙雙降低，將挑戰印刷電路板散熱處理能力。

●為最大限度減少印刷電路板上的線(xiàn)路數量和所需的應用資源，固態(tài)電源開(kāi)關(guān)需要簡(jiǎn)單的診斷功能。

●ECU之間和ECU與電力負載之間的線(xiàn)路數量需要優(yōu)化和最小化，以抵消因總體復雜性提高而增加的線(xiàn)路數量和重量 。

●電氣線(xiàn)束截面及重量也需要優(yōu)化和最小化，以抵消因總體復雜性提高而增加的線(xiàn)路數量和重量。

●待機電流需要最小化 。

●可靠性需要最大化 。

車(chē)身控制模塊的功率密度和應用微控制器資源的最小化

如前文所述，因為車(chē)身控制模塊管理的負載數量日益增加，而車(chē)身控制模塊的重量和尺寸不斷降低時(shí)，車(chē)身控制模塊本身的功率密度將會(huì )大幅提高。因此，控制系統性能即監測負載功耗和印刷電路板/器件溫度非常重要。值得注意的是，監測每個(gè)負載的功耗和溫度對監測應用微控制器的計算能力提出了更高的要求。

意法半導體(ST)最新的VIPower M0-7系列高邊驅動(dòng)器(HSD)按照應用要求改進(jìn)了診斷反饋，使用一個(gè)叫做多傳感器引腳的模擬輸出，可監測最多4路(負載)工作電流、電池電壓和設備散熱器溫度，微控制器資源占用很少。新高邊驅動(dòng)器具有如下優(yōu)勢：

●通過(guò)最大限度減少外部元器件和印刷電路板上控制級與執行級之間的連線(xiàn)數量，簡(jiǎn)化印刷電路板設計。

●在開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)功率器件執行印刷電路板熱圖分析，簡(jiǎn)化車(chē)身控制模塊的功能優(yōu)化過(guò)程。

●在模塊制造完成后檢查焊接過(guò)程 。

●當模塊過(guò)熱時(shí)，智能 “配電”可選擇性關(guān)閉相關(guān)負載。

●強化的斷態(tài)實(shí)時(shí)診斷功能(甚至可以發(fā)現斷態(tài)器件的異常過(guò)熱)。

最大限度降低連線(xiàn)數量和線(xiàn)束截面

根據意法半導體估算，在機電式繼電器被大量電子開(kāi)關(guān)取代后，汽車(chē)電氣線(xiàn)束的截面可縮小二分之一，車(chē)身控制模塊中的保險使用量也大幅降低，為印刷電路板節省更多的空間，降低重量。

圖1是一個(gè)典型的使用繼電器控制的照明系統電路圖。

圖1：繼電器控制的照明系統電路圖。

為最大限度減少保險使用量，通常的做法是將負載集中安裝，以便共用一個(gè)保險。以?xún)蓚€(gè)轉向燈為例討論這個(gè)問(wèn)題，顯然，所選保險的額定值必須能夠承受所有負載同時(shí)工作所需的最大工作電流(在本例中：最大工作電流為 21W+21W+5W的2倍)。為確(本例中是15A)更高的短路電流。因此，布線(xiàn)設計必須考慮總體負載而不是單個(gè)線(xiàn)路負載。顯然，理論上可通過(guò)一個(gè)負載一個(gè)保險的方法解決這個(gè)問(wèn)題，但是這個(gè)解決辦法對成本、重量和空間的要求很高，特別是考慮到前文提到的汽車(chē)便利性負載數量日益增加的趨勢。

圖2所示是三條電流-時(shí)間曲線(xiàn):

●截面0.5mm2的銅線(xiàn)能夠承受的脈沖電流，該脈沖電流與脈沖時(shí)長(cháng)是函數關(guān)系。

●當施加與電流脈沖振幅呈函數關(guān)系的脈沖電流時(shí)， VND7020進(jìn)入熱關(guān)斷模式所用時(shí)間。

●轉向燈負載(兩只21W燈泡及1個(gè)5W燈泡)曲線(xiàn)(典型)。

圖2：不同狀態(tài)的電流-時(shí)間曲線(xiàn)圖。

從圖中可以看出，VND7020曲線(xiàn)位于負載和線(xiàn)纜曲線(xiàn)之間，表示工作條件正常，未進(jìn)入熱關(guān)斷模式，當出現過(guò)載(例如短路)時(shí)，該器件可以保護線(xiàn)纜。

這個(gè)多通道器件的每個(gè)通道都具有保護功能，開(kāi)發(fā)人員可根據負載特點(diǎn)選擇線(xiàn)纜，同時(shí)可通過(guò)電子技術(shù)保護線(xiàn)纜，保險被替代可進(jìn)一步節省空間，降低重量，節省成本。例如，如果使用高邊驅動(dòng)器，負載連接可如圖3進(jìn)行修改。

優(yōu)化系統成本

過(guò)去幾年，車(chē)身控制模塊的復雜性和市場(chǎng)期待的系統功能局限于數量有限的負載驅動(dòng)和較弱的診斷功能，因此，降低系統成本的壓力主要集中在這些為數不多的負載所需的驅動(dòng)芯片。如前文所述，這種局面正在快速改變。車(chē)身電腦驅動(dòng)的負載數量的增加以及車(chē)企對提高診斷和安全性的迫切要求導致汽車(chē)系統變得更加復雜，將降低成本的關(guān)注點(diǎn)從單純的半導體轉向汽車(chē)的總系統成本。

在尺寸確定的印刷電路板上，提高模塊復雜性對電子元器件的集成度有更高的要求。這一趨勢在智能電源開(kāi)關(guān)上最為明顯，設備必須集成更多的智能功能(例如保護和診斷)，同時(shí)壓縮芯片和封裝的尺寸，最大限度降低印刷電路板尺寸、重量和成本。意法半導體的高邊驅動(dòng)器推動(dòng)這一市場(chǎng)趨勢， 從歷史上看，每一代VIPower-M0技術(shù)都將芯片尺寸縮小40%~ 50%，這為使用更小的封裝提供了可能，例如，PowerSSO-16。這個(gè)新封裝的面積為20 mm2，能夠容納多顆M0-7 HSD開(kāi)關(guān)，單通道開(kāi)關(guān)導通電阻最低10mΩ，四通道開(kāi)關(guān)導通電阻最低50m歐。

雖然芯片尺寸變小，但是散熱性能并沒(méi)有因此而受到影響，意法半導體的芯片制造技術(shù)和封裝技術(shù)使PSSO-16封裝具有出色的熱性能表現(在4層印刷電路板上，熱阻RTH為21℃/W)。

從降低總擁有成本角度看，車(chē)企要求車(chē)身電子系統必須支持模塊化(例如，大眾的MQB平臺)。通過(guò)讓車(chē)企在不同汽車(chē)市場(chǎng)和車(chē)型上重復使用同一印刷電路板，模塊化解決方案可降低設計、測試、制造等環(huán)節的成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。

為滿(mǎn)足這個(gè)要求，意法半導體VIPower M0高邊驅動(dòng)器同代產(chǎn)品引腳對引腳兼容，軟件相互兼容，在M0-5產(chǎn)品上出現的擴展性在M0-7上改進(jìn)升級，大約70%的在售產(chǎn)品共用同一封裝(PPSO-16)，覆蓋不同的導通電阻值和通道數量(PSSO16有單通道或雙通道產(chǎn)品)。這些特性可提高模塊再用性，只要在生產(chǎn)過(guò)程中焊接不同的驅動(dòng)器，即可通過(guò)同一個(gè)印刷電路板設計驅動(dòng)不同的電氣負載。