關(guān)于胎壓監測系統的一體化解決方案

　　引言

　　基于TPMS所需的壓力傳感、微控制器（MCU）、射頻（RF）和接口技術(shù)，飛思卡爾半導體積極參與胎壓監測已逾15年。2007年，飛思卡爾已不僅僅能繼續提供分離的組件，還將其技術(shù)整合到單一封裝解決方案中。最近，飛思卡爾的技術(shù)又取得了新的進(jìn)展，可以提供一個(gè)更新的單一封裝解決方案 ，利用微機電系統（MEMS）和MCU技術(shù)的進(jìn)步，擴展該集成解決方案的性能。本文介紹了胎壓監測系統的要求和實(shí)施該系統的變化，以及系統級封裝解決方案的最新技術(shù)，還討論了在不久的將來(lái)可能出現的技術(shù)進(jìn)步。

　　足氣駕駛

　　胎壓合適不只是涉及使輪胎氣壓達到制造商推薦的范圍。有些情況還可能會(huì )給駕駛員帶來(lái)麻煩。

　　首先，制造商推薦的氣壓是一種“冷”氣壓。在車(chē)輛停駛一個(gè)多小時(shí)后測量胎壓，所測胎壓由輪胎的承載能力決定，而且在駕駛時(shí)胎壓會(huì )有所上升。當輪胎因駕駛而變熱時(shí)，不應該下調胎壓測量結果來(lái)估計冷胎壓，即使在駕駛時(shí)大多數輪胎胎壓每平方英寸通常都會(huì )增加大約3-5psi（20 kPa- 35 kPa）。

　　胎壓計通常測量外部環(huán)境壓力和輪胎內部壓力之間的差異（稱(chēng)為表壓）。然而，胎壓受海拔高度變化的影響。例如，在高海拔地區（如亞利桑那州弗拉格斯塔夫）冷胎壓合適的汽車(chē)駕駛到較低海拔地區（如亞利桑那州鳳凰城）時(shí)， 將會(huì )氣壓不足，大約少3 psi （20 kPa）。同樣，在鳳凰城冷胎壓合適的輪胎駕駛到弗拉格斯塔夫時(shí)氣壓會(huì )過(guò)高，大約高3 psi （20 kPa）。

　　季節性的溫度變化也是影響胎壓是否合適的因素。即使不考慮輪胎因長(cháng)時(shí)間未工作而氣壓損失（參見(jiàn)《安全考慮因素》），在夏天（比如90°F度時(shí)，約32 ℃）設置冷氣壓，也將比在氣溫為0°F（約-18 ℃）的冬天早晨設置減少大約16%。

　　沒(méi)有TPMS，那些不檢查輪胎的駕駛員經(jīng)?；蛟谀承┣闆r下有可能使用氣壓不正常的輪胎，因而有駕駛危險。

　　歷史回顧

　　據美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）估計，沒(méi)有TPMS時(shí)， 每年有2.3萬(wàn)起涉及輪胎漏氣或爆胎的交通事故，其中535人死亡。這兩個(gè)問(wèn)題可能都是胎壓不合適造成的。由于安全原因，美國政府頒布了《運輸設備召回、改進(jìn)、責任認定和文檔記錄法案》（TREAD）。作為T(mén)READ法案的一部分，聯(lián)邦機動(dòng)車(chē)輛安全標準（FMVSS 138）要求所有總重量等級達1萬(wàn)磅或小批量制造的汽車(chē)、卡車(chē)和公共汽車(chē)自2008年后都必須安裝TPMS。

　　世界其他地區也認識到了胎壓不正常所帶來(lái)的安全問(wèn)題。在法國，Sécurité Routière估計交通死亡事故中有9%是由于胎壓不足引起的。德國DEKRA估計與輪胎相關(guān)的問(wèn)題占所有交通傷亡事故的比例大約為41%，并指出，沒(méi)有TPMS，道路上75%的車(chē)輛至少有一條輪胎虧氣達3 psi （20 kPa）或以上。

　　氣壓合適的輪胎除了可以提高安全性以外，還可以提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟性。因此，許多地區都已要求或將要求安裝TPMS。表1給出了不同地區的要求和實(shí)施時(shí)間。

　　表1. 各地區的TPMS法規要求

　　法規的頒布驅動(dòng)著(zhù)TPMS的顯著(zhù)增長(cháng)。市場(chǎng)調研公司Frost and Sullivan預測，到2014年1北美將近38%的車(chē)輛將安裝TPMS。該公司預計，到2018年歐洲安裝TPMS的在用汽車(chē)數量將增加到3670萬(wàn)輛。

　　實(shí)施TPMS的規定使胎壓成為汽車(chē)壓力測試（包括歧管絕對壓力（MAP）、大氣絕對壓力（BAP）、氣囊壓力、制動(dòng)壓力、HVAC壓力等）的一個(gè)重要部分。據IHS iSuppli估計（圖1），到 2015年2TPMS將占汽車(chē)傳感器整個(gè)壓力測量市場(chǎng)的25%以上。

　　圖1. TPMS與汽車(chē)壓力傳感器總增長(cháng)。來(lái)源：IHS iSuppli汽車(chē)MEMS市場(chǎng)跟蹤

　　
圖1

　　安全考慮因素

　　氣壓合適的輪胎可減少爆胎、縮短剎車(chē)距離，減少濕滑路面的打滑情況、提高車(chē)輛的整體可操控性。對于TPMS來(lái)說(shuō)，檢測的首要任務(wù)是預防爆胎。氣壓不足的輪胎發(fā)熱更快，不能承載其所規定的負荷。這會(huì )造成輪胎過(guò)度屈撓，導致胎面分離和爆胎。如果不計輪胎受到道路損壞的影響，則其每月自然漏氣為1 psi （6.9 kPa），85%的胎壓損耗是通過(guò)緩慢漏氣造成的。

　　氣壓不足加上高速和/或超載情況增加了輪胎爆胎的風(fēng)險。這種災難性事件可能使車(chē)輛突然沖向迎面而來(lái)的車(chē)輛或失去控制。即使駕駛員控制了車(chē)輛，還是需要緊急更換輪胎。在車(chē)道上更換輪胎通常使駕駛員處于車(chē)流急駛的危險中，尤其在夜間或在天氣惡劣的情況下更加危險。

　　在輪胎壓力超過(guò)額定最大值的極端情況才需要擔心氣壓過(guò)高。氣壓過(guò)高可能是輪胎充氣過(guò)多以及隨后因駕駛和陽(yáng)光照射而發(fā)熱等綜合因素造成的。由于這些情況比較罕見(jiàn)，因此大多數TPMS并不會(huì )對氣壓過(guò)高的情況發(fā)出告警。然而，有些系統還是會(huì )對氣壓過(guò)高的情況發(fā)出告警。

　　燃油經(jīng)濟性考慮因素

　　胎壓正常除了有利于安全外，肯定還有經(jīng)濟上的考量。歐洲標準考慮了正常胎壓所提供的燃油經(jīng)濟性。然而，輪胎磨損增加和氣壓不合適造成的輪胎非正常磨損也增加了駕駛員的擁有成本。

　　商業(yè)貨運行業(yè)依賴(lài)高燃油經(jīng)濟性降低成本，證明胎壓正常具有經(jīng)濟效益。固特異輪胎與橡膠公司進(jìn)行的測試表明，15%的汽車(chē)和拖車(chē)輪胎氣壓不足，會(huì )造成輪胎比預期壽命縮短8%，燃料效率減少2.5%MPG。

　　由于重型牽引車(chē)/拖車(chē)可能有18條以上的輪胎，如果保持合適胎壓，每輛車(chē)在其幾十萬(wàn)英里的壽命期內可以節省數千美元的燃油費和輪胎維修成本。乘用車(chē)也能因胎壓正常而獲得這兩方面的收益。

　　直接式和間接式胎壓監測系統

　　機動(dòng)車(chē)使用兩種胎壓監測技術(shù) -- 直接監測和間接監測。間接式TPMS使用在防抱死制動(dòng)系統（ABS）中的速度傳感器，比較輪胎之間的轉速差別來(lái)確定氣壓不足的情況。因為當某輪胎的氣壓不足時(shí)，其半徑將稍小于氣壓正常的輪胎，因此在汽車(chē)行駛時(shí)其轉速與氣壓正常的輪胎轉速不同。當系統檢測到氣壓不足的情況時(shí)，會(huì )向駕駛員告警。

　　間接系統的主要缺點(diǎn)是，它無(wú)法檢測到由于空氣穿透橡膠造成所有輪胎均出現緩慢漏氣或側壁鋼圈邊緣或氣門(mén)出現微小漏氣的情況。如果所有輪胎漏氣速度基本相同，輪胎之間的轉速就不會(huì )有明顯的變化。因此，間接系統對于 “監測”胎壓就沒(méi)有用。但是，對于穿孔和爆胎等意想不到的漏氣，它的監測效果還是相當好的。

　　除了要求車(chē)輛處于行駛狀態(tài)外，間接系統一般無(wú)法提供直接系統那樣的結果。而且，如果更換、調換輪胎或給輪胎重新充壓，用戶(hù)必須每次重置系統。

　　與間接系統相反，直接式TPMS采用安裝在氣嘴或輪輞上或輪胎內的壓力傳感器，為每個(gè)輪胎提供獨立的、頻繁的氣壓測量。這些測量數據被傳輸到汽車(chē)儀表盤(pán)，以通知駕駛員。

　　由于FMVSS 138允許輪胎虧氣25%時(shí)提示時(shí)間最長(cháng)可以延遲20分鐘，因此胎壓不足時(shí)有些系統可能會(huì )延遲幾分鐘報告。TPMS系統設計師利用這個(gè)規定盡可能減少數據傳輸，以延長(cháng)電池使用時(shí)間。

　　要通過(guò)歐洲和其他標準，間接式TPMS有一些困難，市場(chǎng)調研公司Strategy Analytics3修訂的市場(chǎng)展望報告中就反映出了這種困難。Strategy Analytics汽車(chē)電子服務(wù)總監Ian Riches表示，全球立法過(guò)嚴一直是間接系統面臨的挑戰，吞噬了其成本優(yōu)勢。“我們現在看到的是直接方法和間接方法的市場(chǎng)占有率約七三開(kāi)。”他說(shuō)，“到 2020年，我們預計全球生產(chǎn)的輕型汽車(chē)中80%以上裝有TPMS。直接系統的全球占有率將為57%左右，間接系統約為24%。”

　　飛思卡爾的直接式胎壓監測系統

　　2007年，飛思卡爾率先開(kāi)發(fā)了MPXY8300直接式胎壓監測單芯片解決方案，減少了多器件的處理、印刷電路板的尺寸，TPMS供應商無(wú)需增加額外器件成本。小尺寸使供應商有機會(huì )讓各種采用不同輪輞尺寸的車(chē)型使用一個(gè)解決方案。

　　FXTH87 TPMS系列是高度集成的傳感解決方案Xtrinsic組合的一部分，并將這種設計方法提升到新水平。最新的單一封裝設計包含：

　　● 壓力傳感器

　　● 溫度傳感器

　　● 加速度傳感器

　　● MCU

　　● 射頻（RF）發(fā)射器

　　● 低頻接收器（LFR）

　　● 軟件

　　FXTH87 TPMS的傳感能力來(lái)自：

　　● 帶一個(gè)校準壓力量程（共兩個(gè)）的電容式壓力傳感器

　　● 溫度傳感器

　　● 可選X軸和Z軸加速度傳感器

　　圖2顯示了FXTH87 TPMS 中CMOS表面微型機械壓力傳感壓力單元l和XZ，雙軸加速度傳感器或加速度單元。

　　圖3顯示了封裝級TPMS解決方案的基本方面。

　　圖3. TPMS解決方案的基本方面包括感應、處理、數據傳輸和電源管理技術(shù)

　　TPMS的功耗為434 MHz @ 5 dBm （dBmW）時(shí)7 mA，@ 5dBm時(shí)最大7 mA，Stop模式時(shí)只有900 nA。多種停止模式使程序員有多種選擇，可以實(shí)現性能與功耗的最佳平衡。

　　0.25微米的MCU集成了低頻（LF）和射頻（RF）通信技術(shù)。在TPMS中接收短距離通信的低頻信號時(shí)，LFR的功耗極低。

　　FXTH87 TPMS的內置315/434 MHz射頻發(fā)射器包含帶晶體振蕩電路、壓控振蕩器（VCO）的射頻模塊（RFM），fractal-n鎖相環(huán)（PLL）和用于天線(xiàn)的射頻輸出放大器（PA）。它還包含一個(gè)小型狀態(tài)機控制器，隨機時(shí)間發(fā)生器和用于自動(dòng)輸出或由MCU直接控制的硬件數據緩沖區。

　　圖4所示的整個(gè)系統框圖確定了其他系統方面，包括模數轉換（ADC），傳感器接口，射頻放大和各種定時(shí)器和存儲模塊。

　　低功耗表面微機械電容式壓力傳感器的壓力單元提供精確的壓力測量，量程最大可到1500 kPa（最高217 psi）。FXTH87 TPMS現在可使用的壓力量程為100–450 kPa（最高65 psi）和100-900 kPa（最高130 psi），涵蓋從小型乘用車(chē)到高性能車(chē)和大型運動(dòng)多功能車(chē)（SUV）的要求。

　　圖4. FXTH87框圖顯示了TPMS的各種系統級模塊。

　　電容式壓力傳感器每次讀取只需要0.14μA的電流（3 V，30 KHz）和0.9 nAs的最低電荷。如表2所示，FXTH87與加速度傳感器選項結合，提供相當大的TPMS設計靈活性。

　　表2. 可訂購的TPMS部件，含加速度傳感器軸和壓力量程

　　如圖5所示，24引腳的1孔7×7 QFN（四方扁平無(wú)引線(xiàn)）封裝常用于FXTH87 TPMS產(chǎn)品。這種系統級封裝解決方案可減少電路板尺寸、灌膠材料和重量。

　　圖5. 標準TPMS封裝包括7×7 mm QFN規格

　　TPMS的持續進(jìn)步/變化

　　活躍的行業(yè)研究和其他技術(shù)進(jìn)步以及新法規有望改變未來(lái)TPMS系統的功能要求。顯示有關(guān)車(chē)輛健康的更多信息，特別是涉及到輪胎時(shí)，將要求汽車(chē)制造商更頻繁地獲取和傳輸數據。能量收集利用、雙軸加速度傳感器、無(wú)氣輪胎和法規修改，如擴展頻率范圍正在被討論中。

　　一級系統制造商已經(jīng)推出了將TPMS與其他車(chē)輛系統集成的產(chǎn)品。車(chē)輛穩定控制系統能夠利用TPMS提供的額外信息。

　　穩定控制需要傳感器融合，從而將TPMS數據與其他車(chē)輛傳感器的數據結合。飛思卡爾的傳感器融合功能能以適當的格式提供原始數據，供其他車(chē)輛系統使用。

　　能量收集技術(shù)從輪胎的振動(dòng)中提取電能，可以不需要更換向每條輪胎的TPMS節點(diǎn)供電的電池，或顯著(zhù)延長(cháng)電池的使用壽命。能量收集可以支持其他TPMS的進(jìn)步。

　　今天，TPMS數據以非常緩慢，長(cháng)時(shí)間間隔進(jìn)行傳輸，只用來(lái)確定胎壓是否降低。將胎壓數據集成到穩定控制中需要的數據量更大、傳輸更頻繁，會(huì )大大降低現有設計的電池壽命。借助能量收集，將實(shí)現更高的數據速率，而無(wú)需頻繁更換電池。飛思卡爾正在探索TPMS中新興能量收集技術(shù)的實(shí)現。

　　雙軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器通常用于消費電子品中進(jìn)行運動(dòng)檢測。然而，今天大多數胎壓監測系統使用單個(gè)加速度單元。采用雙軸加速度傳感器，TPMS制造商可以識別輪胎位置，這一過(guò)程稱(chēng)為定位。有些TPMS制造商可能需要三軸功能。

　　例如，中國的TPMS法規可能要求熄火時(shí)輪胎可以被跟蹤，以確定輪胎因為調換或某個(gè)問(wèn)題從一個(gè)位置換到另一個(gè)位置時(shí)是否發(fā)生了變化?，F今，進(jìn)行特定的輪胎定位時(shí)，車(chē)輛需要處于駕駛狀態(tài)，使系統可以調查每個(gè)輪胎的數據，然后確定每個(gè)輪胎的位置。

　　雙軸加速度傳感器的使用幾乎可滿(mǎn)足了所有定位方案，而單軸加速度傳感器則受其應用的限制。

　　無(wú)氣輪胎可能會(huì )極大地干擾TPMS的安裝。輪胎制造商正在努力開(kāi)發(fā)無(wú)氣輪胎，在接下來(lái)的五到十年中，這些輪胎可能開(kāi)始出現在生產(chǎn)車(chē)輛中。然而，在無(wú)氣輪胎普及前，汽車(chē)制造商仍將不得不依靠TPMS技術(shù)來(lái)保持充氣輪胎的正常氣壓。無(wú)氣輪胎也需要輪胎監測系統，需要檢測施加給輪胎的壓力和負荷。

　　法規正在修改，如現在有人提議在工業(yè)、科學(xué)和醫療（ISM）中使用比擁擠的434 MHz更高的頻率。中國大陸或臺灣有可能更改為835-875 MHz。新頻率建立時(shí)，飛思卡爾會(huì )有使用新的頻段的發(fā)射器。

　　飛思卡爾一直與汽車(chē)市場(chǎng)的領(lǐng)導者合作，共同開(kāi)發(fā)TPMS應用，不斷探索更充分地利用系統級封裝技術(shù)，使TPMS供應商能夠有效控制成本，縮短設計時(shí)間。

　　駕駛更安全、更高效

　　胎壓監測系統已證明有助提高汽車(chē)的安全性，提高的燃油經(jīng)濟性，從而減少二氧化碳排放量。這些系統還可以減少輪胎磨損，使輪胎壽命更長(cháng)，穩定的駕駛品質(zhì)，由于好處眾多，政府無(wú)需法規為購車(chē)者提供價(jià)值。然而，法規的存在，并且在全球各地不斷增加。法規的出臺帶來(lái)了額外的發(fā)展動(dòng)力，提供了可預見(jiàn)的市場(chǎng)的增長(cháng)，并促進(jìn)TPMS供應商之間的激烈競爭。

　　2003年，飛思卡爾率先開(kāi)創(chuàng )了最初的TPMS系統級單芯片方案。Xtrinsic FXTH87近來(lái)取得了最新成果，使TPMS設計進(jìn)入了新的階段。壓力范圍、加速度傳感器軸、封裝和其他可選項，使FXTH87 TPMS是個(gè)易于設計的方案，甚至可滿(mǎn)足當前世界各地最復雜的TPMS要求。

　　汽車(chē)市場(chǎng)是飛思卡爾的一個(gè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域，TPMS專(zhuān)長(cháng)已經(jīng)不僅限于與客戶(hù)進(jìn)行系統級專(zhuān)家討論，而是能夠將所有相關(guān)技術(shù)集成到單一封裝中。這不僅充分利用了在多個(gè)領(lǐng)域的芯片領(lǐng)域的經(jīng)驗優(yōu)勢，以及我們在其它幾個(gè)領(lǐng)域（包括傳感器融合）的研發(fā)和探索獲得的軟件方面的經(jīng)驗優(yōu)勢。最終結論是，高度集成的 Xtrinsic系統解決方案在胎壓監測系統中充分得到了驗證。