元器件廠(chǎng)商談汽車(chē)電子的新動(dòng)向

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：互聯(lián)性、無(wú)人駕駛以及程度越來(lái)越高的電氣化是汽車(chē)的發(fā)展趨勢。為此，本媒體邀請國內外芯片巨頭介紹了汽車(chē)業(yè)最新的趨勢動(dòng)向。

互聯(lián)性

5G通訊為車(chē)聯(lián)網(wǎng)開(kāi)拓道路

　　首先，5G通信這一基礎設施服務(wù)現已開(kāi)始準備投入實(shí)用，預計將成為2020年以后社會(huì )基礎設施建設的基石。2020年將在原4G網(wǎng)絡(luò )為基礎的一部分區域試運行，今后，會(huì )以亞洲為中心不斷擴充適用區域。

　　5G通信基礎設施不僅可以讓我們體驗到比目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )更加快捷的速度，同時(shí)汽車(chē)也將作為“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”或“聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)”等某種移動(dòng)終端而互聯(lián)使用。除此之外，不局限于移動(dòng)體，它也將是物聯(lián)網(wǎng)(車(chē)聯(lián)網(wǎng))的大動(dòng)脈。

　　5G通信基礎設施可實(shí)現大容量數據信息無(wú)延遲即時(shí)通信，可使汽車(chē)上搭載的毫米波雷達和激光雷達(LiDAR)等傳感器收集到的信息瞬間轉換為地圖信息或交通擁堵信息，從安全駕駛，到改善擁堵，為最終實(shí)現自動(dòng)駕駛提供切實(shí)保障。

　　其次，今后汽車(chē)上將會(huì )搭載很多傳感器以確保安全駕駛，新能源電動(dòng)車(chē)也越來(lái)越普及，汽車(chē)正在逐步實(shí)現電子化管理。為此，汽車(chē)上將會(huì )需要更多進(jìn)行控制和信息處理的高性能半導體。今后伴隨著(zhù)這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將可以實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信，負責網(wǎng)絡(luò )云端信息處理的半導體也有高性能化的需求。面向車(chē)載的半導體領(lǐng)域也具有非?？捎^(guān)的市場(chǎng)前景。

　　另外，為確保大量地、穩定地接受這些大容量數據信息，搭載在終端機上的小型、高性能的天線(xiàn)和過(guò)濾器等與射頻(RF)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品，也亟需技術(shù)革新。

　　針對5G基礎設施，京瓷正在進(jìn)一步研發(fā)分別面向基站和終端的高效解決方案。

　　具體來(lái)說(shuō)，面向基站方面，京瓷可提供高可靠性的電子元件，有滿(mǎn)足綜合頻率穩定度在7 ppm以下的高精度TCXO、高頻VCXO、高容量MLCC以及窄帶間精準濾波的SAW元器件。另外，還提供可用于光通訊連接部的高可靠性的氣密性封裝陶瓷管殼。

　　面向終端方面，除了與基站相同的TCXO、MLCC、SAW等電子元器件之外，還提供利于線(xiàn)路間以及各個(gè)模塊內部高可靠性連接的連接器。以及適用于封裝攝像頭和MEMS等傳感器類(lèi)產(chǎn)品的高可靠性、環(huán)境耐適性?xún)?yōu)良的陶瓷封裝管殼和適用于車(chē)載半導體封裝的有機封裝基板。

　　另外，為了更好的保障行車(chē)安全，京瓷提供HUD專(zhuān)用液晶顯示屏，并且正在進(jìn)一步研發(fā)光學(xué)設計和軟件的整套解決方案。

安森美汽車(chē)電子解決方案

　　自上世紀70年代以來(lái)，為應對石油禁運，減少對石油的依賴(lài)性，節能減排就成為汽車(chē)業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的。汽車(chē)中電子成分不斷增加。環(huán)境及能源法規促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)蓬勃發(fā)展。

　　以?xún)热紮C作為唯一動(dòng)力來(lái)源的傳統汽車(chē)，正在實(shí)現汽車(chē)功能電子化的好處，以提高整體汽車(chē)燃油效率。輕度混合動(dòng)力和微混合動(dòng)力汽車(chē)越來(lái)越流行，尤其是內置 48 V 動(dòng)力配件的汽車(chē)。除了支持 12 V 系統無(wú)法支持的高功率負載(>10 kW)外，添加 48 V系統的另一個(gè)好處是，由于使用較小的儀表接線(xiàn)，車(chē)輛配電系統的損耗減少。結合現有 12 V 系統與 48 V 系統生產(chǎn)雙電壓車(chē)輛，用作實(shí)現潛在的全面 48 V 車(chē)輛的橋梁，為轉換到 48 V 鋪路。

　　在新能源汽車(chē)中，要求電池管理系統能實(shí)現高能效和高功率密度、小尺寸、低成本，同時(shí)符合AEC車(chē)規、ISO26262 汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)等標準以提供更高可靠性。

　　安森美半導體擁有汽車(chē)功能電子化所需的全部核心技術(shù)，提供寬廣的汽車(chē)級電源管理產(chǎn)品陣容，包括IGBT、高壓門(mén)極驅動(dòng)器、高壓MOSFET、高壓DC-DC轉換器等，且正開(kāi)發(fā)下一代半導體寬禁帶產(chǎn)品和技術(shù)，包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，以提高電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力/插電式混合動(dòng)力汽車(chē)中電源管理的功率密度和能效，降低電磁干擾(EMI)、減小系統尺寸，如最新推出的SiC二極管1200 V FFSHx0120和650 V FFSHx065提供零反向恢復、低正向電壓、與溫度無(wú)關(guān)的電流穩定性、極低漏電流、高浪涌電容和正溫度系數，包含一種提高可靠性和增強穩定性的獨特專(zhuān)利終端結構，滿(mǎn)足強固性要求，并在汽車(chē)應用惡劣的電氣環(huán)境中可靠地工作。

Molex：HSAutoLink II互連車(chē)輛技術(shù)生態(tài)系統

　　如同在許多其他的網(wǎng)絡(luò )通信領(lǐng)域一樣，汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò )互連需要越來(lái)越多的高帶寬資源，其吞吐量已經(jīng)達到了10～20 Gbps 的水平。

　　汽車(chē)行業(yè)需要采用多種高速介質(zhì)協(xié)議來(lái)實(shí)現車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò )互連，因此，行業(yè)面臨的主要挑戰包括互操作性以及多協(xié)議的支持。典型應用包括車(chē)載信息娛樂(lè )系統、遠程信息處理系統、無(wú)線(xiàn)電以及導航輔助設備。此外，對先進(jìn)駕駛輔助系統 (ADAS) 的需求也在不斷上升，而且自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要包含雷達和激光雷達單元在內的形形色色的攝像頭和導航傳感器設備。

　　HSAutoLink II互連系統

　　在持續不斷的為未來(lái)的互連移動(dòng)提供支持的過(guò)程中，Molex開(kāi)發(fā)出了一個(gè)互連車(chē)輛技術(shù)生態(tài)系統，其中包含1 G/10 Gbps的汽車(chē)以太網(wǎng)絡(luò )解決方案，完全整合了可靠的信號完整性、優(yōu)先級劃分、可擴展性以及安全性。

　　Molex和羅森伯格最近簽署了一份雙重來(lái)源協(xié)議，使Molex可以基于羅森伯格的HFM?設計來(lái)生產(chǎn)高速的Mini Fakra汽車(chē)同軸連接器。羅森伯格的HFM Mini Fakra系統可使快速數據傳輸達到20 Gbps的速率，設計可供一系列現有及未來(lái)的汽車(chē)應用使用，包括ADAS、導航、信息娛樂(lè )系統，以及智能互連車(chē)輛等。

　　互連車(chē)輛和自動(dòng)駕駛汽車(chē)中日益增長(cháng)的帶寬，需要嚴格的安全性，這就對可以操作多個(gè)設備、屏幕及攝像頭的穩健的基礎設施提出了要求。HFM Mini Fakra 連接器可提供最高的數據傳輸速率，并且節省多達 80% 的安裝空間，同時(shí)，與傳統的 Fakra 實(shí)施相比，還可顯著(zhù)的減輕重量。

　　對于車(chē)載互連應用，Molex還提供極具成本效益的HSAutoLink II互連系統，其數據速率超過(guò)2.0 Gpbs，并且能夠為不同的通信網(wǎng)絡(luò )和通信協(xié)議提供支持。

無(wú)人駕駛

傳感器融合是無(wú)人駕駛技術(shù)的大趨勢

　　無(wú)人駕駛的大趨勢還是多傳感器融合，結合大數據及人工智能做出正確的決策。目前來(lái)看，還是以降低場(chǎng)景的維度來(lái)實(shí)現產(chǎn)品落地。通過(guò)技術(shù)的不斷迭代，成本的下降，法律法規的完善，最終實(shí)現開(kāi)放道路下無(wú)人駕駛的美好愿景。

　　與普通車(chē)輛相比，自動(dòng)駕駛車(chē)輛的定位精度重要性極高，并且需要能夠識別“行駛在哪個(gè)車(chē)道”，而不是“正行駛在什么道路”。通常一條車(chē)道的寬度只有2.7米到4.6米，允許的誤差極小。因此自動(dòng)駕駛的實(shí)現離不開(kāi)高精度定位，傳感技術(shù)能夠通過(guò)電子技術(shù)進(jìn)行精確控制，這對于汽車(chē)安全系統必不可少。為了實(shí)現在所有條件下都能安全運行的自動(dòng)駕駛系統，需要優(yōu)異的車(chē)輛位置特定精度。慣性傳感器能夠提供可靠的車(chē)輛位置數據，即使在其他傳感器誤檢測的嚴重情況下也是如此。同時(shí)，慣性傳感器在低速情況下的指向性要優(yōu)于GPS。

　　村田長(cháng)年從事車(chē)載用途產(chǎn)品的研發(fā)，現有的許多傳感器產(chǎn)品可以立即應用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛的研發(fā)生產(chǎn)。村田生產(chǎn)的慣性傳感器即使在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中也能夠發(fā)揮可靠的安全性能。其中，陀螺儀一體化加速度傳感器已累計為汽車(chē)行業(yè)提供5000萬(wàn)單位的產(chǎn)品。

電氣化

新能源汽車(chē)SiC解決方案

　　新能源汽車(chē)(EV)“三電”的痛點(diǎn)在于行駛距離、電池空間和高可靠性。ROHM憑借SiC(碳化硅)來(lái)應對這些難題。

　　ROHM的SiC功率元器件主要應用于EV的主逆變器、DC/DC轉換器、車(chē)載充電器、電動(dòng)壓縮機等在新能源汽車(chē)中重要性凸顯的大電流區域，需要更穩定高效率的元器件。

　　使用SiC元器件能讓設備體積更小，功耗更低。因具備高耐壓、高耐熱特性，使在小空間和嚴酷環(huán)境下的安裝成為可能。應用于混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，可大幅降低油耗，擴大車(chē)內空間，從而有更多空間設置更大的電池，有效提高行駛距離。

　　ROHM在EV方面的解決方案包括ROHM針對EV專(zhuān)用單元的綜合解決方案和48 V電源系統。

　　EV專(zhuān)用單元的綜合解決方案

　　EV專(zhuān)用單元需要對12 V系列低電壓電路和電池/驅動(dòng)系統高電壓電路進(jìn)行絕緣，進(jìn)而要求較高的可靠性、小型化、低功耗。ROHM通過(guò)SiC功率元器件、IGBT、SJMOSFET等功率元器件對其作出貢獻。并且，提供與功率元器件控制IC及電源、變壓器、二極管、檢測電流的分流電阻器等各種通用產(chǎn)品配套的解決方案，以此降低EV專(zhuān)用單元的功耗、提高效率、使之更小。通過(guò)提供整體解決方案，為EV單元的小型化、高效率化做出貢獻。

　　48V電源系統

　　輕度混合動(dòng)力汽車(chē)采用比以往12 V電源傳輸效率更高的48 V電源系統。另一方面，配置在車(chē)輛各個(gè)部位的ECU需要較低的3.3 V驅動(dòng)電壓，進(jìn)而要求更低的2.5 V的驅動(dòng)電壓。ROHM挑戰DC/DC轉換器的“單芯片化”這一高難度關(guān)口，開(kāi)發(fā)出了超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control”。搭載此項技術(shù)，可將開(kāi)關(guān)導通時(shí)間縮短到9 ns。

　　另外，ROHM通過(guò)第三方認證機構德國萊茵TUV取得了汽車(chē)行業(yè)功能安全標準“ISO26262”的開(kāi)發(fā)工藝認證。這意味著(zhù)ROHM面向車(chē)載領(lǐng)域的元器件開(kāi)發(fā)工藝被認定為可滿(mǎn)足該標準中的最高安全等級“ASIL-D”。

新能源汽車(chē)的功能安全

　　功能安全是是新能源汽車(chē)的電池管理系統(BMS)的核心挑戰和目標。功能安全國際標準ISO26262，現已成為歐美國家在新能源汽車(chē)領(lǐng)域逐步普及的標準。中國新能源汽車(chē)企業(yè)及核心零部件企業(yè)能否快速跟上功能安全標準的要求，是當下一個(gè)很大的挑戰。

　　在新能源汽車(chē)中，當傳統機械部件變成了電子部件，且搭載大量的電池，就對功能安全提出了更高的要求。ISO26262功能安全標準的實(shí)施對BMS產(chǎn)品的方案、架構、核心零部件都提出了嶄新的要求，是BMS方案商和半導體供應商在未來(lái)3-5年要不斷跟隨的標準。

　　除了可靠性，也對功能安全方面提出了挑戰。電池管理系統的各項測量精度也是未來(lái)提出的挑戰，包括電池系統電壓、電流、系統絕緣、SoC、SOH、SOP等系統參數的檢測精度。BMS系統需要準確估測動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)，動(dòng)態(tài)監測動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)，單體電池間的均衡。電動(dòng)車(chē)將以鋰電池為主要動(dòng)力驅動(dòng)來(lái)源，然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠(chǎng)時(shí)電量即存在些微差異，且隨著(zhù)操作環(huán)境、老化，不同工況等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過(guò)充或過(guò)放等情況，嚴重時(shí)可能導致起火燃燒等安全隱患。因此，透過(guò)BMS能準確量測電池組使用狀況，保護電池不至于過(guò)度充放電，平衡電池組中每一顆電池的電量，以及分析計算電池組的剩余電量并轉換為駕駛可理解的續航力信息，動(dòng)態(tài)監控電池組的健康參數，確保動(dòng)力電池可靠安全運行。

　　RH850+ISL78714系統級別高功能安全解決方案

　　電池電壓、電流信息同步采樣檢測。自主知識產(chǎn)權菊花鏈連接可靠性高，對電動(dòng)車(chē)復雜工況，干擾環(huán)境大的情況下，對暫態(tài)沖擊耐受強。不僅支持板間的變壓器隔離模式，還支持板內的電容隔離模式。

　　其中模擬前端ISL78714提供了14通道采樣，每個(gè)通道+/-2 mV采樣精度。電池電壓采樣和溫度端口采樣，都是ASIL C級別。單CELL輸入通道可以支持+/-5 V的測量范圍，不僅僅可以承受，還可以用來(lái)檢測連接銅條上的正負向壓降，感知BUS BAR的松動(dòng)，氧化異常。多達40多項故障檢測機制，有效的檢測故障和提前告警，為電動(dòng)車(chē)的安全運行，保駕護航。