汽車(chē)電子技術(shù)創(chuàng )新加快汽車(chē)變革步伐

　　汽車(chē)電子產(chǎn)品可以改善控制、安全性、燃油經(jīng)濟性和舒適性，同時(shí)提供類(lèi)似家用的娛樂(lè )和連接體驗。目前的汽車(chē)電子支撐技術(shù)承諾會(huì )在未來(lái)提升所有這些領(lǐng)域的功能。

　　本文討論的產(chǎn)品和技術(shù)將改變汽車(chē)電子設計和汽車(chē)環(huán)境。這些創(chuàng )新技術(shù)包括具有雙面冷卻的電源封裝、具有高帶寬數字內容保護功能的串行器/串并轉換器(SERDES)芯片組、用于停止/啟動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的音頻放大器，可提升安全性和系統性能的傳感器技術(shù)以及用于改善汽車(chē)連接體驗的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

功率MOSFET封裝

　　一些新型汽車(chē)應用需要更高的功率級別，比如電動(dòng)助力轉向(EPS)、電源、混合動(dòng)力汽車(chē)的電池開(kāi)關(guān)以及微型混合動(dòng)力汽車(chē)上的集成式啟動(dòng)器交流發(fā)動(dòng)機(ISA)等。

　　國際整流器公司(International Rectifier)的汽車(chē)DirectFET2功率MOSFET可提供更高的功率密度、雙面冷卻以及用于重型汽車(chē)荷載的極低寄生電感和電阻。其封裝設計采用鑄造銅夾將MOSFET的漏級與PCB相連，可提供改進(jìn)的電氣連接和頂部冷卻途徑(圖1)。

圖1：IR的DirectFET2封裝對于三種封裝大小采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的相同內部結構。

　　汽車(chē)級封裝版本(AEC-Q100標準)于2010年年初發(fā)布，該封裝已經(jīng)在大功率計算應用中使用多年。通過(guò)全面的汽車(chē)測試需對設計進(jìn)行修改，同時(shí)IR還增大了封裝尺寸。

　　汽車(chē)級DirectFET2功率MOSFET的額定值均在175°C的最高結溫下提供。這些MOSFET的濕敏等級為1級(MSL1)。IR最近增加三個(gè)汽車(chē)系列的新成員。

　　AUIRF7738L2和AUIRF7737L2的最大電阻分別為1.6 mΩ和1.9mΩ，源漏電壓為40 V，與業(yè)界標準D2Pak封裝相比，其封裝尺寸更大，電路板空間小60%。AUIRF7736M2的最大電阻為3.0mΩ，源漏電壓也為40V，它采用較小的中型DirectFET2封裝，電路板空間與5mm×6mm方形扁平無(wú)引腳封裝(PQFN)或SO-8封裝相同。

具有HDCP功能的SerDes芯片組

　　美國國家半導體公司(National Semiconductor)的FPD-Link III SERDES芯片組在2010年最初推出時(shí)滿(mǎn)足了汽車(chē)信息娛樂(lè )和駕駛輔助系統的需求。例如，它可以用于將來(lái)自車(chē)載攝像頭的高速視頻數據傳送到數字顯示屏中。

　　最近推出的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q串并轉換器是業(yè)界首個(gè)用于汽車(chē)信息娛樂(lè )系統的具有高帶寬數字內容保護(HDCP)的SERDES芯片組。由于該芯片組支持滿(mǎn)足數字內容保護(DCP)LLC的規范的受保護視頻和音頻內容的車(chē)內分發(fā)，因此它支持在車(chē)內播放分辨率高達720p的藍光電影。華納兄弟娛樂(lè )公司、迪斯尼公司和索尼影視娛樂(lè )等主要內容提供商均認可HDCP功能。

　　在汽車(chē)中提供高品質(zhì)觀(guān)看體驗是汽車(chē)制造商致力于在移動(dòng)環(huán)境中提供家用級體驗的工作的目標之一。此外，最新的FPD-Link III SERDES芯片組(圖2)支持音視頻數據與單差分對的雙向控制的合并。這樣就壓縮了互連尺寸、重量和成本，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了汽車(chē)系統的系統設計工作。

圖2：NSC的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q解串器在一條雙絞線(xiàn)電纜上實(shí)現高帶寬數據和控制。

　　保存在SERDES芯片組中的獨特HDCP密鑰可防止視頻內容在未經(jīng)授權的情況下使用。此外，此芯片組還可對內容數據加密。它根據HDCP規范進(jìn)行所需的認證交換。

音頻放大器

　　意法半導體(ST)的TDA7850LV音頻功率放大器可解決節能型發(fā)動(dòng)機啟停功能帶來(lái)的問(wèn)題。這種特性與高效率引擎管理程序等其它技術(shù)相結合，有望將某種模式下的油耗降低20%。根據Strategy Analytics公司的數據，截至2015年啟停系統的年需求量有望達到2千萬(wàn)部。

　　由于電池是電力的唯一來(lái)源，因此微型混合動(dòng)力汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中的啟停系統可在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉和重新啟動(dòng)時(shí)使車(chē)載電子設備的供電電壓下降至6V。

　　此外，電池電源和交流發(fā)電機電源之間的切換會(huì )產(chǎn)生“咔嗒”的噪聲。在這兩種情形下，車(chē)內音頻的品質(zhì)都會(huì )降低。

　　TDA7850LV是意法半導體新型器件系列(圖3)的首個(gè)成員，該器件專(zhuān)為解決這些新興的電力輔助汽車(chē)中的這些問(wèn)題而設計。4x50W MOSFET輸出級具有2Ω輸出驅動(dòng)器，可與諸多揚聲器類(lèi)型兼容。

圖3：ST針對啟停功能的音頻功率放大器提供了三種不同的外形尺寸。

　　此外，該器件還集成了調節供電電壓和抑制“咔嗒”噪聲的電路。由于不需要增加外部元器件來(lái)獲取這些功能，因此簡(jiǎn)化了系統設計工程師的設計工作，降低了成本，同時(shí)節省了PCB空間。

　　隨著(zhù)汽車(chē)變革步伐的加快，能夠解決其它汽車(chē)系統中的變革引起的問(wèn)題的及時(shí)創(chuàng )新IC將變得越來(lái)越普遍。

提升安全性和系統性能的傳感器技術(shù)

　　從多軸微機電系統(MEMS)到視頻和雷達傳感器，從舶來(lái)品到成熟的技術(shù)，傳感器開(kāi)創(chuàng )了控制系統的歷程。傳感器和基于傳感器的系統的供應商正在開(kāi)發(fā)的最新技術(shù)進(jìn)步包括高級封裝、傳感器接口以及整合的傳感器和先進(jìn)系統概念，以實(shí)現更高的控制并降低安全系統的成本。

　　系統要求規定了傳感器或用于系統中的傳感器的規格，并最終確定哪一種傳感器技術(shù)滿(mǎn)足這些要求。電動(dòng)助力轉向(EPS)就是一個(gè)很好的例子。EPS是汽車(chē)制造商使用的節能措施之一。

　　EPS正憑借能將油耗降低4%的能力而逐漸普及。根據底特律新聞報中一篇文章，福特汽車(chē)公司表示，截至2012年該公司90%的汽車(chē)都將擁有EPS。美國密歇根州薩吉諾的一家公司Nexteer Automotive的全尺寸皮卡有望在未來(lái)三年內開(kāi)始使用電動(dòng)助力轉向。

　　EPS也是自動(dòng)停車(chē)輔助、自適應巡航控制(ACC)等其它高級功能、混合動(dòng)力汽車(chē)和帶起停式系統的汽車(chē)的基本功能。此外，EPS還可能是未來(lái)防撞系統的一部分。

　　在EPS系統中，傳感器指示駕駛員的轉向要求，因此微控制器可以開(kāi)動(dòng)駕駛桿或轉向齒條的電動(dòng)馬達?；魻柶骷?半導體傳感器元老之一)不斷針對EPS和其它馬達控制應用進(jìn)行改進(jìn)。已有兩家供應商在EPS系統中采用了截然不同的霍爾技術(shù)。

　　Melexis繼推出USx88x系統之后已設計出其第二代霍爾鎖存傳感器。首款產(chǎn)品MLX92211的工作電壓為2.7至24V。垂直施加于封裝頂部的南北磁場(chǎng)可產(chǎn)生用于切換“開(kāi)通”和“關(guān)斷”的開(kāi)漏輸出。

　　除了極高的靜電放電(ESD)、反向電壓保護和輸出短路保護等級等保護功能之外，平臺的磁芯設計還可以最大限度地降低溫度敏感性。為補償溫度上升時(shí)的磁性減弱，Melexis實(shí)現了-1000 ppm/℃的負溫度系數。這樣就可以產(chǎn)生極穩定和精確的磁鐵開(kāi)關(guān)點(diǎn)。除了EPS應用之外，霍爾器件還可用于車(chē)窗玻璃升降器、天窗、座椅調節器、刮水器或電機換向中。

　　相比之下，博世(Bosch)的工程師選擇在ESC系統中使用霍爾器件。為降低成本，這種方法替代了GMR(巨磁阻)技術(shù)提供的絕對測量方法，該公司在其LWS5轉向角傳感器中使用了這一技術(shù)。更新的LWS6專(zhuān)門(mén)針對緊湊型汽車(chē)和小型汽車(chē)的基本功能，也可以用于電動(dòng)液壓助力轉向或ACC系統。這個(gè)成本更低的技術(shù)仍可提供1.5的典型轉向角信號分辨率?？刂破骷ㄟ^(guò)來(lái)自傳感器的方波輸出計算轉向車(chē)輪的位置、旋轉方向和旋轉速度。

　　博世的工程師還將霍爾器件用于專(zhuān)門(mén)針對EPS應用的扭矩傳感器轉向(TSS)中。此傳感器包含兩個(gè)霍爾傳感元件，可測量駕駛員通過(guò)圍繞扭力桿的兩個(gè)同心圓的操作所施加的轉向力。輪胎和路面之間的摩擦阻力引起轉向力增加，從而產(chǎn)生成正比的TSS輸出，它可以解決磁通量變化引起的小至0.002°的扭角(參見(jiàn)圖4)。

　　EPS和ESC只是霍爾傳感器的兩個(gè)汽車(chē)應用?；魻杺鞲屑夹g(shù)已被Preh作為非接觸式傳感方法集成到Ford Coyote V-8引擎的Pierburg油門(mén)體中。用于Ford F-150卡車(chē)和Mustang客車(chē)的霍爾設計可提供電位傳感器的備用方案。對于可能的應用，此傳感器的工作溫度范圍為-58℃至+160℃。

1. 傳感器接口要求

　　傳感器一般通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò )(CAN)或本地互連網(wǎng)絡(luò )(LIN)協(xié)議連接到汽車(chē)總線(xiàn)。SAE J2716 SENT(用于單邊半字節傳輸)協(xié)議和PSI5組織的外圍傳感器接口5(PSI5)是專(zhuān)為傳感器開(kāi)發(fā)的兩個(gè)新興接口。

　　SAE的SENT編碼方案針對高分辨率傳感器數據需要傳送到引擎控制模塊等電子控制單元(ECU)的應用。SENT只需要一次轉換，而不需要傳統技術(shù)所需的多次模數轉換，從而節省了傳感器和ECU的成本。除了方便實(shí)現SENT的診斷功能之外，該協(xié)議還提供用于可靠數據傳輸的循環(huán)冗余碼校驗(CRC)。

　　奧地利微電子公司(Austria Microsystems)在其AS5165角位置傳感器中使用了霍爾傳感技術(shù)，該傳感器增加了使用SENT協(xié)議傳送數據的能力，針對節氣門(mén)和閥門(mén)位置傳感和其它動(dòng)力系統傳感應用。磁性編碼器在單個(gè)封裝中整合了集成式霍爾元件、模擬前端和數字信號處理功能。除了易于傳送高分辨率傳感器信息之外，此傳感器還集成了多個(gè)保護功能，包括防止電源和輸出引腳的電壓達到27V的過(guò)壓保護、防止電源引腳出現-18V的反極性的保護以及用于連續短路檢測和斷絲檢測的保護。