新型汽車電子系統(tǒng)元器件解決方案

未來的汽車電子系統(tǒng)中，隨著對安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂等需求的增加，相關元器件及其周邊產(chǎn)品的出貨也將持續(xù)快速增長。諸多汽車電子領域的設計挑戰(zhàn)，需要從元器件層面就開始考慮解決方案。圍繞這個話題，介紹新型傳感器、保護器件、高壓連接器在汽車動力控制、安全系統(tǒng)、通信娛樂、充放電系統(tǒng)等方面的應用。

汽車電子的技術升級速度和其他應用領域如工控、醫(yī)療相比是相當快的，這有多方面的原因。首先汽車電子和人們的日常生活緊密相關，尤其在歐美這些以車代步的國家，汽車作為必需品，幾乎是大多數(shù)人日常出行的唯一選擇。而正在崛起的新興市場如中國、印度，汽車市場飛速增長，據(jù)最新報道，深圳的汽車保有量剛剛突破170萬輛，成為汽車密度最高的內地城市。可以看出越來越多家庭有了購車的需求，從而推動了汽車電子技術的廣泛應用和發(fā)展。

據(jù)isuppli的調查顯示，2012年中國汽車電子銷售額將從2009年的160億美元增長到206億美元。而2012年美國汽車電子市場將為205億美元，屆時第一的位置將讓給中國。

汽車有多個子系統(tǒng)，構成非常復雜。每個子系統(tǒng)都離不開大量的汽車電子產(chǎn)品——當然，不同級別的汽車使用汽車電子的數(shù)量不盡相同。例如目前中國市場的主流汽車電子系統(tǒng)不太復雜，智能程度不高。這些系統(tǒng)主要專注于轉向、駕駛輔助、乘員消極保護、剎車和控制系統(tǒng)以及舒適方便。

隨著市場的升級，未來汽車電子的應用熱點也將面臨變化，能源系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、避撞、線控駕駛、控制系統(tǒng)、智能傳感器與激勵器、集成汽車電氣與電子系統(tǒng)和熱舒適系統(tǒng)都將扮演著更重要的角色。

下面，我們就來分析這些新興的需求為元器件市場帶來了哪些機遇和挑戰(zhàn)。

元器件在汽車安全系統(tǒng)中的作用

安全性是汽車系統(tǒng)設計要考慮的第一要素。新的行車安全離不開穩(wěn)定的引擎管理系統(tǒng)，而傳感器件作為汽車內使用量最大的器件之一，在安全系統(tǒng)中也被大量應用。

行車安全方面，及時檢測引擎溫度是非常重要的一環(huán)。在檢測的同時，還必須確保可靠性和使用壽命。TDK最新的傳感器重量僅為傳統(tǒng)金屬結構的50%，但在保障溫度檢測準確性的同時，防震性能和使用壽命也得到了大幅提升。傳感器頂部的塑料外殼可保證極佳的熱傳導性，從而優(yōu)化反應時間和精確度，有利于測量汽車油溫和冷卻液溫度。另外反應快、適應范圍廣也是該產(chǎn)品特色。

汽車在起停等常規(guī)操作中，會受到電氣干擾和高頻影響，產(chǎn)生干擾。通過配線系統(tǒng)傳導，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設備。干擾源包括啟動系統(tǒng)、交流電機、負載切換、開關抖動以及“拋負載”（即直流電機運行過程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓）。

這些浪涌中最具破壞性的是“拋負載”，發(fā)生在引擎正在運轉的過程中，在交流電機正在給電池充電時斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時交流電機的轉速和場激勵的大小。這一浪涌過程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對半導體電路具有潛在的致命影響。一旦電子電路受到破壞，就可能對安全造成極大隱患。

PPTC保護器件是一種可復位的聚合物正溫度系數(shù)器件，一直以來應用于電源直流輸出端的過載和短路保護。泰科電子瑞侃的PolySwitch產(chǎn)品能夠為電源、RXE輸入/輸出接口提供保護，也能實現(xiàn)過熱、電機失速等保護。

除了PPTC器件，MOSFET也能起到類似的保護。不過， MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點之外，還能使功率組件更符合最低的系統(tǒng)成本，藉以達到更為優(yōu)異的故障自我保護系統(tǒng)。因此，大部分的設計人員轉而采用具有保護作用的MOSFET功率組件來完成。

車載娛樂系統(tǒng)中半導體元器件的應用

信息娛樂設備也容易因為過高的瞬變電壓而損壞，其中包括它所在的工作環(huán)境及周邊設備產(chǎn)生的靜電放電（ESD）脈沖。往往使用ESD保護器件、金屬氧化物變阻器（MOV）和齊納二極管來保護汽車電子設備，例如天線、背光加熱器、電池、按鍵、電路板上的印制線、CD/DVD播放器，數(shù)據(jù)線端口、硬盤驅動器以及輸入/輸出端口和觸摸屏。

車內充電的便攜設備對過流過壓保護的需求很大，泰科電子的 PolyZen 器件能夠滿足保護需要。這種器件與類似于齊納二極管的保護器件一起使用時，具有協(xié)同保護的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。

車內的高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護器件，盡量保持信號質量不會下降。選用的器件應當適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。

PPTC電路保護器件在車載信息娛樂系統(tǒng)中一樣得到了廣泛的采用。它作為一種實用的、經(jīng)濟有效的解決辦法，起到了過流和或過熱保護的作用。在GPS、DVD或者收音機和汽車通訊信息系統(tǒng)（telematics）的電路板中，也常常用它來限制電流。

新能源汽車引領高壓連接器潮流

快速發(fā)展的電動汽車及混合動力電動汽車市場將引發(fā)大批高壓連接器應用，這些應用新穎、令人矚目。不同汽車制造商正在嘗試不同方法以實現(xiàn)低排量或零排量的目標，由此也將進一步提高對連接器供應商的要求。這些要求有一個共性，即在滿足不同程度的安全及人身保護要求的同時，不斷降低成本，減小重量和體積。同時，制造商不會放棄現(xiàn)代消費者所期望的高可靠性和耐用性。

連接器廠商中，F(xiàn)CI在電動汽車和混合動力汽車市場上有強大的競爭力。新推出的Power.S3系列是專為新一代充電電池驅動的插電式混合動力汽車和電動汽車設計的產(chǎn)品。

使用大容量鋰電池是電動汽車和混合動力汽車設計多樣化選擇的一個共同點。鋰電池工作電壓的范圍為400~600V。這至少是傳統(tǒng)汽車標準14V鉛酸電池的10倍以上，因此FCI連接器公司開發(fā)了應用專門的連接器和充電插頭的全方位的解決方案。

這些新的連接器和充電插頭需要解決許多重大的問題。其中，最首要的就是安全問題，因為新的連接器和充電插頭工作電壓的范圍為400~600V，工作電流的 范圍達到50~300A甚至更高。考慮到操作工在汽車的整個生命周期中會不可避免地接觸發(fā)動機艙，高標準的防觸電保護需求是顯而易見的。此外，在如此高的功率下，電磁干擾是另一個重要問題。還有，在連接器插拔操作中會產(chǎn)生電弧，這會嚴重危害到電氣連接和電子設備，并且可能引起汽車燃燒。

隨著大容量鋰電池的出現(xiàn)，在一些案例中引發(fā)了危險的失效模式。此外，如何降低電池的重量和成本仍是一項難題：一方面，增加電動汽車的續(xù)航里程和電池的容量意味著每個元件的重量都要減輕；另一方面，由于新一代電動汽車牢牢地定位于大眾市場，經(jīng)濟性同樣扮演著極為重要的角色。而僅電池成本就可能高達數(shù)千歐元， 因此，降低汽車內其他配置成本的壓力就更大了。

為了迎接這這所有的挑戰(zhàn)，F(xiàn)CI連接器公司的Power.S3系列的新型連接器和充電插頭產(chǎn)品在高功率操作、成本競爭力、耐久性、緊湊性、人體工學和人員安全方面做了最優(yōu)化的設計。，F(xiàn)CI連接器公司與REMA（REMA是一家制造電動叉車用插頭和插座的專業(yè)生產(chǎn)廠家）攜手合作，最先推出的合作成果是單相16/32A充電插頭和插座，符合SAE J1772和IEC62192-1標準：“慢充”電動汽車/混合動力汽車應用方面的國際通用標準。這些產(chǎn)品用于在公共充電站或在家對汽車的鋰電池充電，充電時間為4~8h。

汽車領域仍然具有開拓性，對于工程師來說，要保證系統(tǒng)完全無故障地工作并不容易。這種針對性能的模擬和分析對于電動汽車和混合動力汽車的設計者來說是至關重要的。涉及這些新型汽車設計和制造的公司都處于快速上升的學習階段，而對于產(chǎn)品在實際應用中的性能，還有許多東西有待我們學習。

車載網(wǎng)絡系統(tǒng)電路保護方案

車載網(wǎng)絡系統(tǒng)將扮演著越來越重要的角色。新型客車、卡車、公共汽車甚至摩托車都已成為移動的網(wǎng)絡，將眾多特征和功能連接在一起，如內置控制、移動媒體和無線網(wǎng)絡。信息娛樂系統(tǒng)、遠程信息處理、安全控制等的應用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡標準，其中LIN、CAN、FlexRay就是最重要的三種標準。

LIN拓撲的電路保護措施

LIN總線拓撲通常用于連接開關、傳感器和促動器至車載網(wǎng)絡LIN總線標準要求當LIN總線路因正電壓小于 26.5V或接地而出現(xiàn)短路時，網(wǎng)絡應恢復正常工作。物理層上的ESD浪涌電阻根據(jù)IEC61000-4-2要求必須符合最低放電電壓電平±2kV。然而，ECU連接器上可能會出現(xiàn)達到±8kV的電平。

下圖為為協(xié)同的電路保護圖，顯示出一個設置在功率輸入的可復位PolySwitch器件如何在電源輸入端保護ECU和LIN節(jié)點連接器免受過電流情況的損傷，以及一個MLV（多層電壓敏電阻器）如何為車載網(wǎng)絡應用提供所需的高電流處理和能量吸收的過電壓保護。

需要通過過電流保護對出現(xiàn)故障或過載現(xiàn)象時進行過電流限制。同時也需要通過電路保護設備限制電壓尖峰或處于穩(wěn)定的過電壓狀況。

CAN 拓撲的電路保護措施

CAN總線收發(fā)器可允許總線供電電壓高達+/-80V直流電。然而，甩負荷浪涌會產(chǎn)生出比ISO-7637-2標準（最大86.5V）中規(guī)定的更高瞬態(tài)，可能會損傷收發(fā)器。收發(fā)器的操作電流也因供貨商的不同而有所差異。

下圖顯示了如何在電源輸入端應用可復位PolySwitch設備和MOV（金屬氧化電壓敏電阻器）從而避免因車載供電系統(tǒng)中心的浪涌電流和電壓異常而產(chǎn)生的損傷。

FlexRay拓撲的電路保護措施

FlexRay協(xié)議專為線控應用所設計，如線控剎車和線控方向盤。該線控網(wǎng)絡方式支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率約為10Mb/s，具有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)行為、冗位和容錯的特點。

該結構支持一“束”2個節(jié)點至64個節(jié)點，其功能主要依靠于兩種類型的處理器—ECU和“活動星”。 FlexRay通訊通過一個常用總線或一個星形連接在ECU之間進行。FlexRay元件的總線輸入必須避免在總線路和系統(tǒng)供電電壓或地電位之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

下圖方案利用一個PolySwitch設備進行過電流保護。

車載照明電路保護方案

車載照明系統(tǒng)要求高達55A的峰值浪涌電流?？刂栖囕d照明的理想解決方案之一，就是將一個高壓側前置FET驅動器和功率FET組合。

一個前置 FET 驅動器被用來控制系統(tǒng)中的四種不同負載。這種組合能夠通過溫度系數(shù)較好地控制阻性負載。通常，負載被連接在低壓側，而功率 FET 則在高壓側完成配置，以為負載供電。每一條通道都可以由一個來自微控制器的并行輸入信號或串行編程寄存器來控制。在一個并行結構中，一個通用 I/O 或基于定時器的輸出被用來控制負載電流。

柵極驅動輸出通常為一個恒定電流源，并且吸入輸出端來控制 FET 柵極電容充電和放電特性。與輸出串聯(lián)的一個外部電阻器限制了 FET 開關轉換的升降次數(shù)。這種效應使轉換率得到了控制，同時還可有助于減少會增加電磁干擾（增加開關損耗和功耗）的開關極限期間出現(xiàn)的快速電流變化。這些輸出在內部被控制在 17V 的最大輸出電壓以下，以保護外部 FET 柵極免于源擊穿損壞。與一款集成的解決方案相比較，可以對前置 FET 驅動器和功率 FET 的組合進行配置，以防止應用中的動態(tài)和靜態(tài)故障。

車載照明電路故障檢測和控制方案

在所有的系統(tǒng)中故障檢測都是至關重要的。能夠獨立地對 “開啟”狀態(tài)下有短路負載和過電流現(xiàn)象以及“關閉”狀態(tài)下有開路負載的每一條通道進行故障檢測，將使系統(tǒng)能夠做出正確的反應。這種檢測同時還可以將出現(xiàn)故障的通道隔離開，以避免影響其它正常通道，特別是在涉及熱相互作用問題的時候。

當檢測到一個過電流狀態(tài)時，通過“關閉”器件或激活將以低占空比自動重試和 “開啟”FET 的選項設置，就可以對 FET 進行保護。這樣就允許系統(tǒng)不斷地檢查故障是否已經(jīng)被排除，并且不會破壞 FET。

在“關閉”狀態(tài)下監(jiān)控開路負載故障為系統(tǒng)提供了負載完整性信息。當開關完全處于“關閉”狀態(tài)下時，通過監(jiān)控外部功率 FET 的電源電壓，就可以實現(xiàn)對每一條通道開路負載故障的檢測。

同樣地，為了防止開關轉換期間出現(xiàn)錯誤的故障報告，一種抗尖峰脈沖濾波器在電源轉換期間被激活，以屏蔽故障?？梢詫υ摽辜夥迕}沖屏蔽時間進行編程來對所有轉換率控制實施進行補償。如果該開路負載發(fā)生在開關轉換以后，那么在系統(tǒng)做出正確的動作以前故障的確定有效時間比故障掩模時間要長。正確的動作就是使該場效應晶體管保持在“關閉”狀態(tài)下。

將一個高壓側前置FET驅動器和功率FET組合被廣泛地用于負載控制，例如：車載電子的白熾燈泡、繼電器螺線管和傳輸螺線管等，還可能被應用于那些要求通過串行總線通信或者并行輸入控制來實現(xiàn)負載控制的工業(yè)和商業(yè)應用中。將每一個功率 FET 與熱相互作用隔離的這種能力，在那些單通道短路或者熱關閉故障不會中斷其它負載控制通道功能的情況下是非常有好處的。

混合動力車（HEV）中的半導體器件解決方案

高電壓帶來的挑戰(zhàn)是混合動力車必須解決的問題。幾年前，汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽車的動力傳動系統(tǒng)?，F(xiàn)在的汽車，包括混合動力汽車，則采用20V到600V的功率器件。對于動力轉向及制動這類應用，開發(fā)工程師正在尋找具有低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET，以降低汽車的功耗。

輕度、全面及插電式HEV更是需要600V到1，200V之間的高電壓電子系統(tǒng)，這使設計更具挑戰(zhàn)性。除了需要高達600V到1，200V的高電壓能力外，也需要驅動逆變器和DC/DC轉換器中前所未見的電流密度的開關。功率IC要面對這樣的高功率、高電壓以及高能源，就要以堅固耐用、可靠性和安全作為主要的條件。IR 的Hauenstein博士曾表示，電機驅動IC的保護功能非常重要，在HEV牽引電機出現(xiàn)嚴重故障和短路時，免除了微型控制器的互動需要。因為這個問題在HEV逆變器中，開關高電流、高電壓IGBT時十分常見。”

IR的HEV方案系列也包括了具備非常低EMI和優(yōu)化了的開關性能的驅動器及開關。例如最新的DirectFET MOSFET產(chǎn)品便完全不用鍵合線，并且因為消除了大部分的寄生電感，以及具備最小的封裝電阻，所以能夠提供最佳的開關性能。除了領先行業(yè)的低導通電阻、卓越的開關性能和增強了的溫度能效（例如雙側散熱），這款十分先進的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設計的體積顯著減小，特別適用于高功率要求或者如HEVDC/DC轉換器這些快速開關應用。

IGBT和功率MOSFET作為混合動力汽車的核心技術，吸引功率半導體廠商紛紛瞄準這個龐大的市場。ISuppli曾預測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復合增長率高速發(fā)展，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場增長居其次。雖然在未來幾年中混合動力車輛還將只是占據(jù)車輛市場的一小部分，但混合動力對逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對IGBT和功率MOSFET的巨大需要。

中國主要的汽車電子市場及發(fā)展機遇

安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能和信息化，是未來汽車的發(fā)展趨勢。中國汽車市場使得汽車娛樂系統(tǒng)得以快速的發(fā)展，而這種發(fā)展是在現(xiàn)有市場規(guī)模下的呈指數(shù)生長狀態(tài)的增長。有市場研究表明，中國的總體汽車產(chǎn)量非常龐大，而車載娛樂系統(tǒng)數(shù)量也同樣可觀，主要提供OEM支持服務。

汽車運用電腦作為平臺以達到車載通信、導航、視聽娛樂、網(wǎng)絡控制、為區(qū)域市場趨勢的一體化而設計的集成多媒體信息系統(tǒng)等功能。有調查分析表明，中國現(xiàn)在市場發(fā)展的前景存在于大的汽車電子市場。而汽車行駛安全性和小型汽車相關的娛樂導航信息系統(tǒng)控制、車身電子相關控制等，將成為中國的汽車電子產(chǎn)品市場發(fā)展的主要方向。