抓準汽車電子發(fā)展趨勢的汽車高效節(jié)能方案

汽車電子發(fā)展趨勢

從總體上看，平均每輛汽車中的半導體成分在增高。其中北美、歐洲和日韓等傳統(tǒng)汽車市場的平均每輛汽車半導體成分是中國汽車的2倍，另一方面，這也顯示出中國等新興市場的汽車電子發(fā)展空間非常廣闊。

在各類汽車應用市場中，動力系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)等尤為引人注目。其中，在汽車動力系統(tǒng)方面，目前存在由相同目標推動的兩個重要趨勢：高能效及更清潔的汽車。世界各國政府機構(gòu)正在推動相關提案及法規(guī)，迫使汽車OEM設法減少燃油消耗及廢氣(二氧化碳、NOx等)排放。工程師們需要極具創(chuàng)意，使內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)汽車提供更佳的燃油經(jīng)濟性;讓新一代混合動力及電動汽車更加節(jié)能。

上述趨勢有賴于電子電路來配合開發(fā)更清潔及更高能效的汽車。從半導體的角度看，標準內(nèi)燃發(fā)動機汽車與混合動力汽車的動力系統(tǒng)估計的半導體成分之比為1:5。從內(nèi)燃發(fā)動機轉(zhuǎn)向使用電動機將提升汽車的燃油經(jīng)濟性，因為汽車將使用電力來驅(qū)動。由于石油價格及高性價比電池技術(shù)及基礎設施的就緒等因素，預計約在2025年汽車內(nèi)燃發(fā)動機將大規(guī)模轉(zhuǎn)向電動機。

與此同時，內(nèi)燃發(fā)動機汽車將繼續(xù)提升能效，但一鍵啟動/停止交流發(fā)電機系統(tǒng)、更智能的噴射驅(qū)動器IC等某些附加技術(shù)將有賴于更精確的傳感器信號和汽車工程師更深入的系統(tǒng)專長。發(fā)動機尺寸的減小將以更智能的渦輪增壓技術(shù)予以補償。最終，部分或完全混合設計的汽車將幫助提升加速時的發(fā)動機能效，以電動力替代通常相當耗油的熱動力。

車載信息娛樂應用方面的挑戰(zhàn)是整車企業(yè)必須考慮如何將更多的軟件和硬件內(nèi)嵌到汽車之內(nèi)，把汽車變成一個新的移動設備;還要用集成實現(xiàn)最小化，集中精力實現(xiàn)的汽車與其他設備之間的最好聯(lián)通，如手機、智能電話以及其他的消費電子設備。而且對于車載信息娛樂系統(tǒng)而言，集成的功能越來越多，如可能包括導航系統(tǒng)、AM/FM收音機和CD/DVD播放、衛(wèi)星廣播等，使系統(tǒng)的復雜度越來越高，且對電源的要求也在提高。例如，汽車信息娛樂系統(tǒng)電源既要求低電流——為微控制器(MCU)及傳感器供電(5 V、3.3 V，電流10～100 mA)，也需要大電流——為高性能處理器(DSP)及USB供電(5 V、3.3 V、1.2 V，電流0～3 A);而LED背光需要電壓12 V、電流低于1 A供電，其它設備(天線、風扇、電機、VFD顯示屏驅(qū)動等)還有其它電壓要求。

安森美半導體配合新趨勢的動力控制及車載娛樂解決方案

1. 動力控制方案

FlexRay?是車載網(wǎng)絡(IVN)應用快速興起的一項標準，正在替代當前基于控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)及本地互連網(wǎng)絡(LIN)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一個數(shù)量級，而且可靠性更高，使下一代汽車能夠應用更先進的安全、動力系統(tǒng)及舒適機制。

安森美半導體擴充了汽車網(wǎng)絡產(chǎn)品陣容，推出了一款符合業(yè)界最新采用的FlexRay? 通信協(xié)議的總線收發(fā)器IC——NCV7381。該器件是一款極強固的單通道器件，能夠提供高達10 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。這新器件完全遵從FlexRay?電氣物理層規(guī)范3.0.1版，在有線FlexRay?通信介質(zhì)及協(xié)定控制器/主機之間提供差分傳送及接收能力。 NCV7381的模式控制功能經(jīng)過了優(yōu)化，用于持續(xù)連接至汽車電池的節(jié)點。這器件提供低能耗工作及配合遠程喚醒檢測的低能耗模式接收器。NCV7381能夠采用5.5伏(V)至50 V電池供電電壓工作，可以集成在12 V及24 V汽車電源系統(tǒng)中。它在完整頻率范圍內(nèi)提供優(yōu)異的電磁耐受性(EMS)性能。

圖1：NCV7381典型應用電路圖。

此外，多年來，安森美半導體已成為汽車點火領域公認的領先供應商，可提供強固及可靠的絕緣門雙極晶體管(IGBT)系列。為了持續(xù)加強該系列器件的性能，安森美半導體新近推出的第三代點火IGBT——NGB15N41A性能極佳，而且尺寸更小。隨著最新收購而添增的三洋半導體分部，安森美半導體用于點火應用的IGBT陣容進一步擴大。除了已有的系列IGBT器件，公司還在規(guī)劃一款用于點火應用的高集成度器件。該產(chǎn)品將IGBT功率器件與控制器集成在單個封裝中，可以用于筆形線圈點火應用。

此外，安森美半導體還將推出能夠在動力系統(tǒng)應用中驅(qū)動泵、散熱風扇或節(jié)氣閥的系列無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動器(LV9901)，還有將控制器和電源段集成在單個功率封裝中(某種微型模塊)的模塊化封裝系列。今年5月，安森美半導體在歐洲的PCIM展會上展示了智能功率模塊(IPM)。結(jié)合公司的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)與寬廣的電源方案系列，以及在高能效電源管理的悠久專長和技術(shù)，安森美半導體提供創(chuàng)新的智能功率模塊系列和電源變頻器以及設計支持和制造能力。這些IPM方案性價比高，能夠用于太陽能供電及電動汽車等應用。

安森美半導體提供300 W至5 kW功率范圍的寬廣陣容高能效功率模塊，可配合廣泛的客戶應用，包括變頻器、升壓驅(qū)動器及電機驅(qū)動器?？蛻舨捎眉闪硕喾N內(nèi)置特性及智能功能的緊湊設計及小巧尺寸，能夠簡化設計，節(jié)省電路板空間，提升可靠性，同時減少其終端產(chǎn)品的元器件數(shù)量和總成本。

2. 信息娛樂系統(tǒng)方案

安森美半導體提供各種應用于信息娛樂系統(tǒng)電源的產(chǎn)品，概括起來主要有以下幾類。一類是線性穩(wěn)壓器(LDO)，用于電池及后級穩(wěn)壓，具有標準/低靜態(tài)電流、高電源抑制比(PSRR)/超低靜態(tài)電流，以及跟蹤器和電流檢測功能;第二類是豐富的開關電源(SMPS)產(chǎn)品，用于降壓及升壓控制器/穩(wěn)壓器，采用同步/非同步拓撲結(jié)構(gòu)，提供高頻、低靜態(tài)電流和電池及后級穩(wěn)壓;第三類是電源管理單元(PMU)，以更高集成度優(yōu)化了尺寸/性能。這些產(chǎn)品都符合下一代尺寸及能效要求。

例如，安森美半導體新推的兩款低壓降穩(wěn)壓器(LDO)IC——NCV47700和NCV47701非常適合汽車音響及信息娛樂系統(tǒng)、儀表盤、導航及衛(wèi)星廣播等應用。這些器件包含輸出診斷引腳CSO，可以用于檢測負載開路及短路事件。兩款器件使用1顆電阻來連接CSO引腳，提供介于10 mA與350 mA之間的可調(diào)節(jié)輸出電流電平，且精確度達±10%。

安森美半導體還推出了新系列開關穩(wěn)壓穩(wěn)壓器，包括NCV890100、NCV890101、NCV890130、NCV890131、NCV890200、NCV890201及NCV890231等，用于空間受限、對電磁兼容性(EMC)敏感的汽車娛樂及信息娛樂應用。這些高集成度器件為連接電池的開關電源提供了業(yè)界領先的轉(zhuǎn)換比。每款器件均包含內(nèi)部電源開關，采用2 MHz頻率工作。高達2 MHz的開關頻率支持在輸入及輸出濾波器中使用尺寸更小、成本更低的電感及電容。

圖2：NCP890201產(chǎn)品應用示意圖。

除了信息娛樂系統(tǒng)電源方案，安森美半導體還能為信息娛樂系統(tǒng)市場提供音頻數(shù)字信號處理器(DSP)、CD DSP、模擬及數(shù)字調(diào)諧器、無線數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)(RDS)接收器、A/B類放大器及小尺寸LCD顯示屏驅(qū)動器等元器件。

引領新能源汽車趨勢

雖然電動汽車面對著經(jīng)濟性方面的電池價格、技術(shù)性方面的電池化學特性不夠穩(wěn)定，以及人們每天平均駕駛里程的自主度等方面的挑戰(zhàn)，但轉(zhuǎn)向使用電動機的電動汽車是一個必然的趨勢。

從半導體角度來看，能夠支持更高電壓(250至400 V電池電壓而非12/24 V)及更大電流元器件的電源將是一個很大的挑戰(zhàn)。市場上符合汽車標準的功率元器件供應商數(shù)量并不太多。如今使用的大多數(shù)元器件來自于工業(yè)或白色家電等其它行業(yè)，在技術(shù)上并未針對汽車行業(yè)應用進行完全優(yōu)化，價格方面亦然。

安森美半導體正在開發(fā)新系列的專用IGBT和MOSFET，以符合這一市場的嚴格要求。安森美半導體的絕緣金屬底板技術(shù)(IMST)能力能夠應對上述挑戰(zhàn)，將多個功率元器件集成到更小及更高熱效率的封裝(多芯片功率模塊)中，以新技術(shù)幫助業(yè)界轉(zhuǎn)向電動汽車領域。

除了用于主電動機的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)外以外，另一挑戰(zhàn)在于開發(fā)用于電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)、汽車空調(diào)(HVAC)及泵等某些電動化應用的專用元器件。安森美半導體也在開發(fā)新的元器件和電源穩(wěn)壓器，旨在將這些模塊用于高壓網(wǎng)絡。

而電動汽車充電電池方面迄今仍沒有標準，多家公司在提供電池監(jiān)控/電池單元均衡IC。安森美半導體決定開發(fā)用于這類應用的知識產(chǎn)權(quán)(IP)，以及專門電池架構(gòu)的專用元器件，為OEM和關鍵客戶提供ASIC服務。

中國的“十二五”規(guī)劃將新能源汽車列為七大領域的重點發(fā)展方向。毫無疑問，中國汽車廠商和國外廠商一樣面對著汽車相關標準不斷細化、嚴格化的挑戰(zhàn)。安森美半導體積極服務中國市場，為中國本地關鍵客戶及OEM提供技術(shù)應用支持。目前，安森美半導體的上海汽車解決方案工程中心擁有10名應用支援專家，并在華北(長春)和深圳設有技術(shù)辦事處。

我們已見汽車電子相關標準體現(xiàn)在汽車排放、油耗等方面，但如今也看到諸多安全(翻滾測試、碰撞測試、剎車距離等)方面的標準。還有一些適用于半導體器件的標準。AECQ100就是其中最著名的一項標準，此外還有TS16949，都是汽車半導體公司必須遵循的標準。安森美半導體遵從所有這些標準，甚至致力于超越零事故的終極目標(即汽車因電子電路損壞而造成的汽車返修率為零)。

西方汽車制造商已經(jīng)決定引入與電子功能安全相關的新安全標準(ISO26262)。這標準將影響整個汽車行業(yè)。半導體行業(yè)也將必須適應此標準。安森美半導體已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)中立即遵從此標準，并調(diào)配資源及開發(fā)方法來達到此要求。

因此，問題不在于“怎樣面對汽車電子相關標準的不斷細化、嚴格化的挑戰(zhàn)”，而是在于“怎樣開發(fā)以符合甚至超越使用電子及半導體技術(shù)的安全、生態(tài)及駕駛動力方面的汽車性能要求”。

總結(jié)

汽車制造商越來越趨向于以更先進的電子元器件實現(xiàn)新功能或加強功能，以提高品牌聲譽和競爭差異性，讓消費者體驗更安全和舒適，他們因而要在汽車中采用更先進的電子元器件。安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，正在利用不斷推出的新產(chǎn)品，幫助汽車制造商改進汽車動力系統(tǒng)、照明及電源/電源管理(含車載信息娛樂系統(tǒng))應用，符合更高的質(zhì)量標準，推動新能源汽車的發(fā)展，減少污染，節(jié)省能源。