車(chē)身電子市場(chǎng)的主要趨勢(shì)和創(chuàng)新動(dòng)力

 汽車(chē)電子元器件市場(chǎng)覆蓋率今后幾年有望持續(xù)增長(zhǎng)，主動(dòng)/被動(dòng)安全系統(tǒng)、增強(qiáng)型人機(jī)界面(抬頭顯示器、觸摸屏等)和車(chē)身便利功能領(lǐng)漲。值得一提的是，市場(chǎng)對(duì)更高品質(zhì)汽車(chē)的需求將會(huì)拉動(dòng)高端汽車(chē)銷量增長(zhǎng)。在2013~2018年間，中國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)預(yù)計(jì)增長(zhǎng)最快，年復(fù)合增長(zhǎng)率有望達(dá)到3.5%。

隨著汽車(chē)電子化水平不斷提高，汽車(chē)系統(tǒng)將會(huì)變得更加復(fù)雜，這將對(duì)車(chē)身電子系統(tǒng)構(gòu)成影響，同時(shí)還給電子系統(tǒng)架構(gòu)定義和有特殊應(yīng)用要求/需求的設(shè)計(jì)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)：

●電力負(fù)載數(shù)量增多、空間和重量雙雙降低，將挑戰(zhàn)印刷電路板散熱處理能力。

●為最大限度減少印刷電路板上的線路數(shù)量和所需的應(yīng)用資源，固態(tài)電源開(kāi)關(guān)需要簡(jiǎn)單的診斷功能。

●ECU之間和ECU與電力負(fù)載之間的線路數(shù)量需要優(yōu)化和最小化，以抵消因總體復(fù)雜性提高而增加的線路數(shù)量和重量 。

●電氣線束截面及重量也需要優(yōu)化和最小化，以抵消因總體復(fù)雜性提高而增加的線路數(shù)量和重量。

●待機(jī)電流需要最小化 。

●可靠性需要最大化 。

車(chē)身控制模塊的功率密度和應(yīng)用微控制器資源的最小化

如前文所述，因?yàn)檐?chē)身控制模塊管理的負(fù)載數(shù)量日益增加，而車(chē)身控制模塊的重量和尺寸不斷降低時(shí)，車(chē)身控制模塊本身的功率密度將會(huì)大幅提高。因此，控制系統(tǒng)性能即監(jiān)測(cè)負(fù)載功耗和印刷電路板/器件溫度非常重要。值得注意的是，監(jiān)測(cè)每個(gè)負(fù)載的功耗和溫度對(duì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用微控制器的計(jì)算能力提出了更高的要求。

意法半導(dǎo)體(ST)最新的VIPower M0-7系列高邊驅(qū)動(dòng)器(HSD)按照應(yīng)用要求改進(jìn)了診斷反饋，使用一個(gè)叫做多傳感器引腳的模擬輸出，可監(jiān)測(cè)最多4路(負(fù)載)工作電流、電池電壓和設(shè)備散熱器溫度，微控制器資源占用很少。新高邊驅(qū)動(dòng)器具有如下優(yōu)勢(shì)：

●通過(guò)最大限度減少外部元器件和印刷電路板上控制級(jí)與執(zhí)行級(jí)之間的連線數(shù)量，簡(jiǎn)化印刷電路板設(shè)計(jì)。

●在開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)功率器件執(zhí)行印刷電路板熱圖分析，簡(jiǎn)化車(chē)身控制模塊的功能優(yōu)化過(guò)程。

●在模塊制造完成后檢查焊接過(guò)程 。

●當(dāng)模塊過(guò)熱時(shí)，智能 “配電”可選擇性關(guān)閉相關(guān)負(fù)載。

●強(qiáng)化的斷態(tài)實(shí)時(shí)診斷功能(甚至可以發(fā)現(xiàn)斷態(tài)器件的異常過(guò)熱)。

最大限度降低連線數(shù)量和線束截面

根據(jù)意法半導(dǎo)體估算，在機(jī)電式繼電器被大量電子開(kāi)關(guān)取代后，汽車(chē)電氣線束的截面可縮小二分之一，車(chē)身控制模塊中的保險(xiǎn)使用量也大幅降低，為印刷電路板節(jié)省更多的空間，降低重量。

圖1是一個(gè)典型的使用繼電器控制的照明系統(tǒng)電路圖。

圖1：繼電器控制的照明系統(tǒng)電路圖。

為最大限度減少保險(xiǎn)使用量，通常的做法是將負(fù)載集中安裝，以便共用一個(gè)保險(xiǎn)。以兩個(gè)轉(zhuǎn)向燈為例討論這個(gè)問(wèn)題，顯然，所選保險(xiǎn)的額定值必須能夠承受所有負(fù)載同時(shí)工作所需的最大工作電流(在本例中：最大工作電流為 21W+21W+5W的2倍)。為確(本例中是15A)更高的短路電流。因此，布線設(shè)計(jì)必須考慮總體負(fù)載而不是單個(gè)線路負(fù)載。顯然，理論上可通過(guò)一個(gè)負(fù)載一個(gè)保險(xiǎn)的方法解決這個(gè)問(wèn)題，但是這個(gè)解決辦法對(duì)成本、重量和空間的要求很高，特別是考慮到前文提到的汽車(chē)便利性負(fù)載數(shù)量日益增加的趨勢(shì)。

圖2所示是三條電流-時(shí)間曲線:

●截面0.5mm2的銅線能夠承受的脈沖電流，該脈沖電流與脈沖時(shí)長(zhǎng)是函數(shù)關(guān)系。

●當(dāng)施加與電流脈沖振幅呈函數(shù)關(guān)系的脈沖電流時(shí)， VND7020進(jìn)入熱關(guān)斷模式所用時(shí)間。

●轉(zhuǎn)向燈負(fù)載(兩只21W燈泡及1個(gè)5W燈泡)曲線(典型)。

圖2：不同狀態(tài)的電流-時(shí)間曲線圖。

從圖中可以看出，VND7020曲線位于負(fù)載和線纜曲線之間，表示工作條件正常，未進(jìn)入熱關(guān)斷模式，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載(例如短路)時(shí)，該器件可以保護(hù)線纜。

這個(gè)多通道器件的每個(gè)通道都具有保護(hù)功能，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)選擇線纜，同時(shí)可通過(guò)電子技術(shù)保護(hù)線纜，保險(xiǎn)被替代可進(jìn)一步節(jié)省空間，降低重量，節(jié)省成本。例如，如果使用高邊驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載連接可如圖3進(jìn)行修改。

優(yōu)化系統(tǒng)成本

過(guò)去幾年，車(chē)身控制模塊的復(fù)雜性和市場(chǎng)期待的系統(tǒng)功能局限于數(shù)量有限的負(fù)載驅(qū)動(dòng)和較弱的診斷功能，因此，降低系統(tǒng)成本的壓力主要集中在這些為數(shù)不多的負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)芯片。如前文所述，這種局面正在快速改變。車(chē)身電腦驅(qū)動(dòng)的負(fù)載數(shù)量的增加以及車(chē)企對(duì)提高診斷和安全性的迫切要求導(dǎo)致汽車(chē)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，將降低成本的關(guān)注點(diǎn)從單純的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)向汽車(chē)的總系統(tǒng)成本。

在尺寸確定的印刷電路板上，提高模塊復(fù)雜性對(duì)電子元器件的集成度有更高的要求。這一趨勢(shì)在智能電源開(kāi)關(guān)上最為明顯，設(shè)備必須集成更多的智能功能(例如保護(hù)和診斷)，同時(shí)壓縮芯片和封裝的尺寸，最大限度降低印刷電路板尺寸、重量和成本。意法半導(dǎo)體的高邊驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)這一市場(chǎng)趨勢(shì)， 從歷史上看，每一代VIPower-M0技術(shù)都將芯片尺寸縮小40%~ 50%，這為使用更小的封裝提供了可能，例如，PowerSSO-16。這個(gè)新封裝的面積為20 mm2，能夠容納多顆M0-7 HSD開(kāi)關(guān)，單通道開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻最低10mΩ，四通道開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻最低50m歐。

雖然芯片尺寸變小，但是散熱性能并沒(méi)有因此而受到影響，意法半導(dǎo)體的芯片制造技術(shù)和封裝技術(shù)使PSSO-16封裝具有出色的熱性能表現(xiàn)(在4層印刷電路板上，熱阻RTH為21℃/W)。

從降低總擁有成本角度看，車(chē)企要求車(chē)身電子系統(tǒng)必須支持模塊化(例如，大眾的MQB平臺(tái))。通過(guò)讓車(chē)企在不同汽車(chē)市場(chǎng)和車(chē)型上重復(fù)使用同一印刷電路板，模塊化解決方案可降低設(shè)計(jì)、測(cè)試、制造等環(huán)節(jié)的成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。

為滿足這個(gè)要求，意法半導(dǎo)體VIPower M0高邊驅(qū)動(dòng)器同代產(chǎn)品引腳對(duì)引腳兼容，軟件相互兼容，在M0-5產(chǎn)品上出現(xiàn)的擴(kuò)展性在M0-7上改進(jìn)升級(jí)，大約70%的在售產(chǎn)品共用同一封裝(PPSO-16)，覆蓋不同的導(dǎo)通電阻值和通道數(shù)量(PSSO16有單通道或雙通道產(chǎn)品)。這些特性可提高模塊再用性，只要在生產(chǎn)過(guò)程中焊接不同的驅(qū)動(dòng)器，即可通過(guò)同一個(gè)印刷電路板設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)不同的電氣負(fù)載。

開(kāi)發(fā)人員通過(guò)使用熱分析軟件工具，確定適合的印刷電路板尺寸、器件選型和物理定位，可進(jìn)一步降低車(chē)身控制模塊的總開(kāi)發(fā)成本。意法半導(dǎo)體在熱分析領(lǐng)域積累了豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，如果客戶需要，能夠提供專門(mén)的負(fù)載兼容報(bào)告、負(fù)載模塊劃分支持和印刷電路板熱性能改進(jìn)方案。

圖3：使用高邊驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載連接圖。

新應(yīng)用領(lǐng)域

今天，不同的應(yīng)用要求是汽車(chē)電子系統(tǒng)總體發(fā)展趨勢(shì)的決定性因素，同時(shí)也是半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新和產(chǎn)品規(guī)劃的動(dòng)因。除了汽車(chē)電子化過(guò)程中產(chǎn)生的一些特殊需求，以及在優(yōu)化系統(tǒng)成本方面的創(chuàng)新動(dòng)因，此外，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，以及新應(yīng)用領(lǐng)域方面都呈現(xiàn)著新的發(fā)展需求。

在新車(chē)身電子應(yīng)用領(lǐng)域。LED光源取代鹵素?zé)艉虷ID燈已經(jīng)是當(dāng)前汽車(chē)市場(chǎng)的大趨勢(shì)。此外，汽車(chē)配電盒電子化是半導(dǎo)體產(chǎn)品在傳統(tǒng)市場(chǎng)外的最大商機(jī)。

在今天的配電盒內(nèi)通常有多達(dá)200個(gè)保險(xiǎn)和30個(gè)繼電器，僅硬件重量就達(dá)到1.5 kg，外觀尺寸也不容忽視。此外，傳統(tǒng)保險(xiǎn)需要干預(yù)時(shí)間，采用這樣的保險(xiǎn)要求車(chē)企按照保險(xiǎn)特性而不是額定負(fù)載選擇布線方案。

意法半導(dǎo)體注意到了這一市場(chǎng)趨勢(shì)，并擁有相關(guān)的制造技術(shù)和研發(fā)實(shí)力，為市場(chǎng)提供具有特殊功能(例如：低導(dǎo)通電阻、低待機(jī)通態(tài)靜電流)并且可取代保險(xiǎn)和繼電器的配電解決方案。