直接胎壓監測系統設計的5大挑戰

美國新頒布的公路安全法規，使胎壓監測系統成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域，其中直接胎壓監測系統將成為主導技術(shù)。本文將重點(diǎn)放在直接胎壓監測系統上，討論了中國汽車(chē)電子工程師們面臨的設計挑戰，主要包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統成本以及RF設計。

美國新頒布的公路安全法規，使胎壓監測系統(TPMS)一躍而成汽車(chē)行業(yè)發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域。2005年4月，美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)發(fā)布的最終規定要求，總重在4563公斤或以下的車(chē)輛(單軸雙輪的車(chē)輛除外)都需要安裝一套TPMS。到2007年9月1日，所有生產(chǎn)商生產(chǎn)的輕型車(chē)輛都必須符合該標準要求。美國每年大約生產(chǎn)1700萬(wàn)輛車(chē)，這為TPMS創(chuàng )造了一個(gè)飛速增長(cháng)的市場(chǎng)。據估計，到2008年，TPMS在全球車(chē)市的滲透率將超過(guò)30%。

圖1：TPMS的輪胎模塊組件框圖。

值得注意的是，這個(gè)法規在技術(shù)上對直接和間接系統的態(tài)度保持中立。但市場(chǎng)研究機構Strategy Analytics的預測表明，直接系統技術(shù)將成為主流技術(shù)，2008年后所占份額將超過(guò)95%。直接TPMS在每個(gè)輪胎內都設有胎壓傳感器，這些傳感器通過(guò)射頻(RF)信號將壓力和其他信息傳送到中央接收器里。而間接TPMS沒(méi)有壓力傳感器，需要依靠ABS系統內的速度傳感器來(lái)偵測和比較輪胎轉速的不同。直接TPMS成本雖然更高，但是該系統有顯著(zhù)的性能優(yōu)勢，例如具有更高靈敏度，并能夠實(shí)現零速度測量和多輪胎虧氣情況探測。

本文把重點(diǎn)放在直接TPMS上，并將討論工程師們面臨的設計挑戰，主要包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統成本以及RF設計。

組件選擇

TPMS的輪胎模塊包含的組件有MEMS壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速計、微控器、RF電路、天線(xiàn)、LF接口、振蕩器和電池。汽車(chē)制造商要求直接TPMS的電池能維持十年以上。電池的運行溫度必須為－40°C到125°C，重量輕、體積小并且電量要大。由于這些限制，電池往往選擇的是鈕扣式電池而不是大號電池。新型紐扣電池能達到標準的550mAh電力，重量?jì)H有6.8克。

除電池外，要達到十年以上的操作壽命，組件必須在低功耗的同時(shí)具有集成功能。英飛凌的SP30就是這類(lèi)集成產(chǎn)品，它將壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速計、LF接口、微控器和振蕩器集成為一個(gè)部件。完整的輪胎模塊系統僅有三大組件――SP30、RF發(fā)射器芯片(如英飛凌的TDK510xF)和電池。

功耗管理

當模塊上市后，更換電池是不現實(shí)的。由于這一限制，功耗管理對設計工程師來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要了。減少功耗有4種方法。其中之一，就是上述的選擇低功耗組件并使用具有集成功能的組件來(lái)減少組件數量。

第二個(gè)方法就是利用軟件。高效算法可調節發(fā)射和測量頻率。在軟件設計的時(shí)候，高效算法可能要考慮這些問(wèn)題：數據發(fā)射和測量的頻率是多少？發(fā)送重復數據是否必要？系統顯示模式是什么？RF發(fā)射的功耗最大，延長(cháng)發(fā)射間隔、減少計算次數和重復數據發(fā)送自然會(huì )延長(cháng)電池的壽命。但是，我們必須在所有這些因素以及數據可靠性和用戶(hù)及時(shí)獲取信息之間實(shí)現平衡。

第三個(gè)降低功耗的方法是利用擁有內置加速計(如SP30)的傳感器來(lái)偵測車(chē)輪的運轉。當車(chē)輛處于停車(chē)狀態(tài)時(shí)，TPMS可以停止運行以節省電量。多數情況下，車(chē)輛處于停車(chē)狀態(tài)時(shí)間比真正行駛時(shí)間要長(cháng)得多。因此這種方法可以大幅度節省電量。

運用低頻(LF)接口也是一種降低功耗的方法。通過(guò)低頻接口，中央接收器模塊可以給始終處于待機模式的輪胎模塊發(fā)送指令和數據。只有接收到“喚醒”信號后，輪胎模塊才會(huì )進(jìn)行測量和發(fā)送數據。這樣，輪胎模塊的電池壽命可以大大延長(cháng)。除了省電外，低頻接口還帶來(lái)了靈活設計和額外功能。例如，輪胎更換后，低頻通信可以讓系統進(jìn)行自動(dòng)輪胎識別。SP30帶有低頻輸入接口，可解決這個(gè)設計難題。

介質(zhì)兼容性

圖2：英飛凌公司的TPMS解決方案。

傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對TPMS而言至關(guān)重要。如果沒(méi)有這些關(guān)鍵特性，整個(gè)系統的精確性和可靠性將成問(wèn)題。輪胎模塊是置于輪胎內部的，因此電子組件面對的是輪胎內部的惡劣環(huán)境。電子組件將工作在－40°C到125°C的溫度范圍內，并將面對潮濕、灰塵和剎車(chē)油等其他介質(zhì)的侵襲。介質(zhì)兼容性確保傳感器能得到全面保護。TPMS的傳感器特別容易被腐蝕，因為它的壓力進(jìn)口必須與空氣接觸才能監測周?chē)膲毫Α?/P>

英飛凌的傳感器包括壓力傳感組件和加速傳感組件(可選)。傳感組件是一個(gè)三層堆疊模塊(玻璃－硅－玻璃)。絕對壓力參考值是由頂層玻璃里的真空腔得出的。因為壓力進(jìn)口朝向硅層的背面，所以傳感組件有很好的介質(zhì)兼容性。利用這種獲得專(zhuān)利的三層堆疊技術(shù)，英飛凌傳感器(如SP30)獲得了非常好的介質(zhì)兼容性。

系統成本

這個(gè)由接收器模塊和四個(gè)輪胎模塊組成的系統要在商業(yè)上獲得成功，系統成本起著(zhù)很重要的作用。好的解決方案使用擁有集成功能的組件以實(shí)現組件數量、運行功耗和PCB尺寸的減少，最終實(shí)現降低系統成本。讓TPMS和無(wú)鑰進(jìn)入(RKE)接收器共享同一平臺也可以降低系統成本。但是，這在商業(yè)上并不是始終可行的。

RF設計

第一代TPMS的發(fā)射器芯片設計運用的是ASK調制技術(shù)，通過(guò)SAW共振器產(chǎn)生合適的發(fā)射頻率。這樣的ASK系統非常便宜，但是載有發(fā)射器的車(chē)輪轉動(dòng)會(huì )導致接收場(chǎng)強發(fā)生變化。

為此，目前的TPMS在晶體振蕩器和PLL合成器的基礎上運用FSK調制方式來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應用中，FSK即使在輪子高速運轉時(shí)都能提供可靠的RF通信。英飛凌公司的UHF發(fā)射器系列TDK510xF 可為這種TPMS應用提供最佳解決方案。TDK510xF系列裝置可用于不同的頻帶(315、434、868和915MHz)，并可進(jìn)行ASK和FSK調制。該裝置包含一個(gè)全面集成的PLL合成器和一個(gè)高效功率放大器來(lái)驅動(dòng)環(huán)形天線(xiàn)。在RF輸出功率為5dBm ，電阻為50歐的情況下，典型的耗電量為7mA(可以視為最低的耗電量)。 該裝置可在－40°C到125°C的溫度范圍內運行，并采用小型P-TSSOP-10封裝。

除了發(fā)射器系列產(chǎn)品之外，英飛凌公司還有針對不同頻帶的多種接收器和收發(fā)器芯片，如TDA521x接收器芯片廣泛用于TPMS和RKE應用。英飛凌公司的無(wú)線(xiàn)芯片只需極少的外部組件，環(huán)路濾波器和VCO電路都實(shí)現了集成，其特點(diǎn)還包括低運行電流和良好的靈敏度。

英飛凌公司的TPMS解決方案

英飛凌公司通過(guò)融合傳感器和RF無(wú)線(xiàn)芯片來(lái)提供完整的TPMS系統解決方案。從圖2中可以看出，SP30或SP12(無(wú)MCU)可以與TDK510x發(fā)射器芯片在輪胎模塊里協(xié)同應用。在接收器端，TDA521x可以和任何8位或16位MCU協(xié)同應用。

1997年，英飛凌公司的TPMS傳感器投產(chǎn)，迄今總產(chǎn)量已達上千萬(wàn)。隨著(zhù)大量的產(chǎn)品在市場(chǎng)上得到使用和測試，英飛凌公司大規模生產(chǎn)能力得到了認可。英飛凌公司的TPMS傳感器的多種優(yōu)勢造就了其市場(chǎng)領(lǐng)袖地位，其中包括：

數字接口(SPI)為獨立TPMS傳感器(SP12/SP12T)帶來(lái)了靈活設計；

針對各種OEM運用實(shí)現了大規模部署；

卓越的介質(zhì)兼容性和可靠性；

生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行全面補償和校準；

低功耗；

獨特傳感器ID，可實(shí)現輕松識別；

超寬工作溫度范圍(－40°C到125°C)；

片上加速計監測車(chē)輪轉動(dòng)(可選)；

片上微控器降低印刷電路板尺寸和系統成本(SP30)；

片上溫度和電壓傳感器；

片上LF(低頻)輸入接口實(shí)現雙向通信；

準確氣壓測量(±7kPa)；

利用EROM進(jìn)行量產(chǎn)，降低成本；

異常溫度下關(guān)閉，避免不準確的數據測量；

與RF無(wú)線(xiàn)芯片一起使用可構成完整TPMS解決方案；

集成RF發(fā)射器、耗電更小的未來(lái)解決方案；

本文小結

工程師在設計直接TMPS時(shí)面臨的主要挑戰包括組件選擇、功耗管理、介質(zhì)兼容性、系統成本以及RF設計，這些因素也是商業(yè)成功的關(guān)鍵所在?；赟P30和TDK510xF的解決方案為組件數量和PCB尺寸設立了一個(gè)基準。它同時(shí)滿(mǎn)足了汽車(chē)行業(yè)的10年電池壽命要求。

新一代的TPMS將有一些革命性的突破。在性能提升的同時(shí)，功耗、尺寸、重量和成本將不斷降低。英飛凌公司計劃于2007年推出的名為SP35的單電子組件將傳感和發(fā)射功能融合在一起，這意味著(zhù)MCU、傳感器和RF發(fā)射器將集于一體。到2010年時(shí)，英飛凌有望推出耗電量更低的系統。