半導(dǎo)體公司堅(jiān)定汽車電子技術(shù)的發(fā)展方向

——從IATF2009看汽車電子技術(shù)發(fā)展趨勢

經(jīng)濟(jì)的低迷也許會(huì)滯緩汽車電子市場的發(fā)展，但絕改變不了技術(shù)所引領(lǐng)的方向。這是國際主流汽車半導(dǎo)體公司通過深圳2009年中國汽車電子技術(shù)應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)（IATF2009）向業(yè)界透露的信心。

一年一度的IATF是《電子產(chǎn)品世界》雜志社舉辦汽車電子領(lǐng)域的高端技術(shù)論壇。今年的論壇邀請了泰克科技、村田電子、凌力爾特、英飛凌、恩智浦半導(dǎo)體和富士通微電子等多家國際主流汽車電子和解決方案供應(yīng)商，吸引了超過200名的專業(yè)聽眾。



IATF2009吸引了超過200名的專業(yè)聽眾

HEV/EV對(duì)元器件和電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求

當(dāng)前的汽車市場，采用電池作為主要?jiǎng)恿蛘咦鳛槠偷妮o助動(dòng)力降低CO2的排放已經(jīng)成為絕對(duì)的熱點(diǎn)話題，所以混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車（HEV/EV）成為IATF2009的一個(gè)重要主題。來自村田電子的產(chǎn)品經(jīng)理譚斌和凌力爾特的應(yīng)用技術(shù)工程經(jīng)理盧志豪分別介紹了HEV/EV對(duì)電子元器件和電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求和設(shè)計(jì)對(duì)策。

譚斌介紹說，汽車工業(yè)對(duì)電子元器件的質(zhì)量要求主要分為三類：ISO/TS16949國際汽車行業(yè)質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)，這是在美國汽車三大巨頭（通用，福特和克萊斯勒）發(fā)起的QS9000基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；電子元器件質(zhì)量，包括AEC-Q100有源器件負(fù)荷測試認(rèn)證規(guī)范和AEC-Q200無源器件負(fù)荷測試認(rèn)證規(guī)范；EMC/EMI保護(hù)，包括CISPR12和CISPR25。

HEV/EV可以根據(jù)燃料/ CO2 節(jié)約比例不同，分為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、部分電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、扭距助力系統(tǒng)、輔助馬達(dá)系統(tǒng)和停止/啟動(dòng)控制系統(tǒng)。由于采用了不同的動(dòng)力系統(tǒng)，在汽車電子通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，對(duì)電子元器件的要求也相應(yīng)的有了變化。例如，電池單元的熱敏電阻隨著電池從鎳氫電池向鋰電池甚至燃料電池的升級(jí)，也會(huì)產(chǎn)生電池溫度檢測、電路短路保護(hù)、過熱保護(hù)和電芯放電和過電流保護(hù)等不同的需求。

盧志豪也表示高性能鋰電池已經(jīng)成為HEV/EV當(dāng)前應(yīng)該優(yōu)選的電池類型，它的的能量存儲(chǔ)密度比上一代的鎳氫電池有了大幅度的提高，采用磷鐵鋰作為負(fù)極材料的鋰電池存儲(chǔ)密度可以達(dá)到70-120Wh/kg，并且在工作的溫度范圍，安全性和環(huán)保方面都有出色的表現(xiàn)。

但是測量充電狀態(tài)（SOC）已經(jīng)成為延長電池使用壽命的一個(gè)難題。盧志豪指出通常會(huì)將電池充電研制在一個(gè)SOC范圍內(nèi)，例如：20%-80%，所以可用容量只有規(guī)定容量的60%。因?yàn)?，把鋰電池充電?00%充電狀態(tài)或者放電至0%都將使其容量快速下降。

因此，鋰電池電量的準(zhǔn)確測量非常重要。在筆記本電腦等小型設(shè)備上，一般采用計(jì)算流入和流出包含3-8節(jié)電池的庫倫（Ix△T）計(jì)算法?！斑@在汽車中幾乎是不可能的，”盧志豪介紹說：“在汽車中，電池驅(qū)動(dòng)的是電機(jī)而不是母板。而且200A的電流尖峰很常見，隨后就可能是低功耗的空載狀態(tài)。汽車鋰電池的電壓取自100個(gè)串聯(lián)電池，它們的老化程度不同、來自多個(gè)制造批次、隨溫度變化差異，因此即便具有相同庫倫的電池也可能存在相聚很大的充電水平?！?BR>


圖 混合/純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng) 資料來源：村田電子


表 不同負(fù)極材料的比較 資料來源：凌力爾特

盧志豪建議用電壓測量進(jìn)行SOC評(píng)估，通過準(zhǔn)確測量每節(jié)電池的電壓來了解電池的SOC。運(yùn)用的技巧是通過考慮電流和溫度對(duì)電池ESR和容量的影響，以改善電壓測量的準(zhǔn)確性。從30%至70%的SOC，電壓變化一般為200mV至5mV%SOC。當(dāng)某些電池過充電而另一些電池欠充電時(shí)，可以采用“電池平衡”方法調(diào)節(jié)每節(jié)電池的充電水平。

與電壓測量相應(yīng)的是，泰克科技分銷產(chǎn)品部經(jīng)理陳文權(quán)認(rèn)為應(yīng)該通過監(jiān)測電池溫度來控制充電的速度。他在論壇上向聽眾介紹了泰克的任意波形/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器AFG-3011，AFG-3011通測量充電器對(duì)溫度變化的響應(yīng)從而確認(rèn)電流變化期間的控制穩(wěn)定性。對(duì)于溫度控制充電的方法，解碼I2C的數(shù)據(jù)，確認(rèn)讀數(shù)正確以及捕捉整個(gè)電流校正周期的數(shù)據(jù)是兩個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。

汽車總線性能要求在提升

當(dāng)前汽車總線主要包括用于車身控制的CAN、LIN，用作底盤控制的FlexRay和信息娛樂系統(tǒng)中的IDB-1394和MOST。CAN依然占據(jù)汽車總線的主流地位，但是英飛凌車身電子系統(tǒng)市場部經(jīng)理李世銘在IATF2009上表示，低速CAN的市場份額將會(huì)逐步被LIN所占領(lǐng)。

如果把汽車總線比做人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)器可以視作神經(jīng)的節(jié)點(diǎn)。收發(fā)器是網(wǎng)絡(luò)總線和ECU之間的接口，負(fù)責(zé)控制器和總線間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。李世銘介紹說一旦某個(gè)通信模塊的收發(fā)器失靈，就失去了和其他模塊的通信，最好的狀況是警示燈開始閃，最差的狀況是汽車無法工作。收發(fā)器的魯棒性尤其是ESD的性能尤為重要，其他性能要求還包括ISO脈沖、耐電流能力和溫度等等。


圖 汽車總線市場 資料來源：富士通微電子

此外，汽車網(wǎng)絡(luò)的一致性也是關(guān)系到總線通信的核心問題。網(wǎng)絡(luò)物理層必須保持一致性，因?yàn)椴煌挠布ㄟ^總線聯(lián)接，同樣由于不同的軟件驅(qū)動(dòng)和微控制器聯(lián)接在同一個(gè)總線系統(tǒng)，每個(gè)ECU都需要符合通信協(xié)議，因此數(shù)據(jù)鏈接層也需一致。李世銘介紹說，為此GIFT/ICT聯(lián)盟定義了數(shù)據(jù)鏈層和物理層的要求，以及一致性測試的條件。CAN物理層一致性測試包括：電參數(shù)測試和互操作性測試；CAN物理EMC測試包括：ESD測試，采用DPI方法的EMI測試和EME測試。

作為下一代的車內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)的主要選擇，F(xiàn)lexRay提供了比CAN更高的速度和可靠性。FlexRay還能夠提供很多CAN網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點(diǎn)。尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實(shí)現(xiàn)通過硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)測。FlexRay同時(shí)提供靈活的配置，可支持各種拓?fù)?，如總線、星型和混合拓?fù)?。設(shè)計(jì)人員可以通過結(jié)合兩種或兩種以上的該類型拓?fù)鋪砼渲梅植际较到y(tǒng)。

富士通微電子產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早介紹了FlexRay 面向的是眾多的車內(nèi)線控操作(X-by-Wire)，例如：通過多輸入設(shè)備進(jìn)行Steer/Shift by wire、利用集成的剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Brake by wire、HEV汽車的電池控制和懸停等等。

針對(duì)不同的總線技術(shù)，泰克科技的陳文權(quán)介紹了用于數(shù)字串行接口系列數(shù)字示波器DPO/MSO4000可以分析SPI、CAN、LIN和FlexRay，以及FlexRay物理層的分析軟件DPO4AUOTMAX。

車載信息娛樂系統(tǒng)高端應(yīng)用增長迅速

隨著數(shù)字高清電視的逐步普及，再加上2013年Blu-Ray播放器將停止模擬輸出，使得IDB-1394找到了接入后座娛樂市場的良機(jī)。1394高速傳輸技術(shù)的第一種標(biāo)準(zhǔn)是IEEE1394-1995，這個(gè)版本允許數(shù)據(jù)達(dá)到400Mbps，第二個(gè)版本是1394a-2000，它增加的功能例如異步數(shù)據(jù)流和串聯(lián)包。1394a-2000可以支持800Mps的數(shù)據(jù)速率。近年來，支持1600Mps和3200Mbps的也加入到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中。1394汽車標(biāo)準(zhǔn)1394b-2000已經(jīng)在2000年得到批準(zhǔn)。

丁潔早介紹說，汽車內(nèi)娛樂系統(tǒng)對(duì)IDB-1394協(xié)議的帶寬要求各不相同，例如，由車頭尾、兩側(cè)的攝像頭組成的攝像網(wǎng)絡(luò)大概需要588Mbps（147x4）的帶寬支持640x480x30fps的格式。800x480x60fps和18位RGB的導(dǎo)航系統(tǒng)需要415Mbps的帶寬，720x480x30fps的DVD和數(shù)字電視所需帶寬分別為166Mbps，因此整個(gè)車載娛樂系統(tǒng)的帶寬總需求達(dá)到747Mbps。

除了IDB-1394或者M(jìn)OST等車內(nèi)多媒體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，車用的視頻處理器SoC市場也將在未來的數(shù)年內(nèi)呈現(xiàn)高速增長，CAGR將達(dá)到21.4%，其中高端SoC的年平均增幅接近50%。NXP半導(dǎo)體汽車電子事業(yè)部的技術(shù)和應(yīng)用市場經(jīng)理徐偉杰表示，高端處理器能夠解碼高清和標(biāo)清的視頻內(nèi)容、支持藍(lán)光格式、接收全球不同的數(shù)字電視信號(hào)，并且應(yīng)該具備高級(jí)的HMI和導(dǎo)航系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。而中端的產(chǎn)品應(yīng)該支持標(biāo)清內(nèi)容的解碼、地面數(shù)字電視和DVD播放等。

針對(duì)不同的定位，NXP將車載多媒體產(chǎn)品家族分成了Vicaro 和MuVi。Vicaro支持標(biāo)清電視和HD ready，采用的是NXP 集成了TM3260和3282系列DSP的PNX95xx平臺(tái)；MuVi是更高端的多媒體處理器SoC，徐偉杰透露目前已經(jīng)推出的是在采用ARM11的PNX9610平臺(tái)上的MuViHD1，NXP計(jì)劃將ARM Cortex9納入后續(xù)的MuVi系列中，并且正在考慮采用多個(gè)Cortex9核的PNX9640平臺(tái)。



圖 車載視頻處理器市場 資料來源：NXP半導(dǎo)體