更安全與環(huán)?！娮蛹夹g(shù)于細微處改變汽車行業(yè)

在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的帶動下，我國的汽車電子市場迎頭趕上，在國產(chǎn)轎車全球化進程開始的同時，相關(guān)汽車電子產(chǎn)品市場也開始興起。預(yù)計未來幾年，還會有眾多高端汽車電子被植入國產(chǎn)汽車中，而各汽車廠商的電子競賽也將愈演愈烈。在下一輪競賽中，汽車電子扮演的作用將越來越重要，這也是推動中國汽車電子市場持續(xù)高速發(fā)展的直接動力之一。

　　據(jù)賽迪顧問的預(yù)測，在2008年及未來幾年內(nèi)，中國汽車電子市場將在中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國產(chǎn)汽車產(chǎn)品升級的推動下保持快速的發(fā)展態(tài)勢，預(yù)計到2012年，中國汽車電子市場規(guī)模將超過3200億元。

　　

　　　　圖1  2008－2012年中國汽車電子市場規(guī)模與增長預(yù)測
　　 

　　汽車更安全、更環(huán)保的發(fā)展方向不會改變　
　
　　目前，動力控制、底盤控制、安全系統(tǒng)、車身電控等產(chǎn)品的普及率已經(jīng)很高，未來幾年這些產(chǎn)品仍有不斷向低端車普及的趨勢，與這些成熟的產(chǎn)品相比，一些新的應(yīng)用成為未來幾年中國汽車電子市場的熱點，如主動安全系統(tǒng)、汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及GPS等車載信息系統(tǒng)等。從技術(shù)角度來看，這些產(chǎn)品的普及沒有任何障礙，而隨著產(chǎn)品成熟，其成本也在不斷降低。接下來幾年，隨著國家法制法規(guī)不斷完善、消費者安全意識不斷提高、消費者舒適需求不斷提升，以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)不斷完善，這些新興汽車電子產(chǎn)品將進入高速普及階段。雖然這些產(chǎn)品的普及很難向EMS、ABS普及時那樣使市場出現(xiàn)井噴式增長，但多樣化產(chǎn)品的應(yīng)用必將進一步刺激中國汽車電子市場的發(fā)展。

　　未來幾年，汽車更安全、更環(huán)保的發(fā)展方向不會改變，用于提高該方面性能的電子產(chǎn)品升級步伐也將持續(xù)，但整體來說，不會有太大的改變。相比之下，車身、車載電子市場的空間要更大一些：

　? 首先，車身、車載電子產(chǎn)品種類繁多，市場可拓展?jié)摿薮蟆Ｅc動力和底盤系統(tǒng)相比，車身、車載電子產(chǎn)品的可拓展性更強一些，因為其產(chǎn)品種類十分豐富，許多在3C領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)都可以移植到汽車中，如多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

　? 其次，車身、車載電子產(chǎn)品是未來消費需求的熱點。車身、車載電子產(chǎn)品對改善汽車舒適性，提高汽車娛樂性起到很大的作用，而這也恰好迎合了消費者的需求。隨著私人消費者的增加，這種對汽車動力以外的需求更為突出，這也使得車身、車載電子產(chǎn)品市場未來發(fā)展?jié)摿κ恪?/p>

　　綠色環(huán)保將成為動力傳動市場MCU發(fā)展的主要驅(qū)動力

 　　根據(jù)J.D.Power and Associates的統(tǒng)計，全球共計擁有8.2億輛車輛，每輛車平均每年排放4噸二氧化碳，排放總量高達33億噸。二氧化碳時主要的溫室氣體，也是導(dǎo)致全球升溫的溫室消音的罪魁禍首。僅在美國，二氧化碳就占所有溫室氣體排放量的80%。

　　為此，各國和地區(qū)將逐步嚴格汽車排放的規(guī)定。汽車廠商也有意引入混合動力和直噴式汽油機，用電子控制代替液壓控制。這些都將成為動力傳動系統(tǒng)邁向更高段MCU的驅(qū)動因素。“動力傳動系統(tǒng)用MCU正處在從16位向32位演變的階段，”飛思卡爾亞太區(qū)汽車電子市場與系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理Bernd Rucha表示：“因為汽車電子面臨的是更嚴格的排放要求。”除了排放要求，動力傳動系統(tǒng)中的MCU承擔(dān)的工作負荷也在增加。今后汽車將采用更強大的引擎管理器系統(tǒng)，MCU需要不斷地檢查傳感器和執(zhí)行器，計算處理更為復(fù)雜。

　　四氣缸的經(jīng)濟高效的引擎設(shè)計，在中國和印度等亞洲市場已變得普及起來。在這些市場，政府法規(guī)已經(jīng)開始要求汽車制造商生產(chǎn)更經(jīng)濟高效的引擎來減少廢氣排放。這給動力傳動系統(tǒng)帶來了新的機遇，特別是在2～4缸的小型引擎應(yīng)用領(lǐng)域。Bernd認為這些領(lǐng)域的MCU性能需要進一步提升，但是成本也需得到有效控制。

　　雖然當(dāng)前在中國等新興市場16位MCU占據(jù)動力總成控制市場的主流，但是飛思卡爾最近推出的MPC563xM系列正在一定程度上加快了32位MCU拓展的步伐。MPC563xM是飛思卡爾自2006年1月啟動與STMicroelectronics的聯(lián)合開發(fā)項目后，所生產(chǎn)的第一批汽車產(chǎn)品，ST還提供結(jié)構(gòu)上相似的雙源產(chǎn)品。它包括3個32位動力總成MCU，采用了飛思卡爾著名的Power Architecture技術(shù)，增強了動力總成的功能，如片上排放控制等，而且還滿足了引擎和變速箱供應(yīng)商的成本限制。

　　MPC563xM由1.5 MB的閃存、81KB的SRAM和能擴展為80 MHz的Power Architecture內(nèi)核組成。其特點是增加了芯片減震系統(tǒng)，實現(xiàn)減少相同燃油量3-5%的二氧化碳排放。芯片減震系統(tǒng)直接將檢測油箱爆震的傳感器連接到563xM上，片上增益和傳感器偏差可變，不再需要有源外部組件。另外，作為飛思卡爾MCU的特點之一，eTPU (可編程的增強型定時處理單元)在系統(tǒng)中分擔(dān)了CPU的部分工作，包括引擎的簡單控制等，而CPU負責(zé)火花控制等功耗更大的處理。

　　為了控制成本，增加MPC563xM系列的性價比，MPC563xM是飛思卡爾第一個帶QFP（四邊扁平封裝）選項的動力總成器件系列，使開發(fā)更簡單、成本更低。QFP包含看得見的引腳，不需要采用費用高昂的紅外線和X射線檢測技術(shù)，因而使封裝的安裝、檢測和修理變得更方便、便宜。此外，MPC563xM器件軟件與飛思卡爾現(xiàn)有的MPC55xx系列兼容，支持代碼共享，有助于降低汽車制造商的開發(fā)成本。

　　汽車電子于細微處改變汽車行業(yè)

　　2008年汽車電子行業(yè)的新趨勢將集中在減排、舒適與安全等領(lǐng)域，汽車對電子設(shè)備的需求依然在增長，同時會出現(xiàn)架構(gòu)更加復(fù)雜的組合電子設(shè)備。另一個面向未來的重要趨勢是全球市場對LIN、CAN、Flex Ray等車載網(wǎng)絡(luò)的需求持續(xù)增長。

　　綠色環(huán)保也已成為汽車電子領(lǐng)域的熱點話題。恩智浦半導(dǎo)體汽車電子和智能識別產(chǎn)品大中華區(qū)高級市場總監(jiān)張煥麟認為，最終改變汽車行業(yè)的不是豪華氣派的車身和時尚潮流的色彩，而是用于車輪、底盤及儀表板的那些微小的電子測量、控制和驅(qū)動元件。恩智浦將電子技術(shù)實現(xiàn)綠色環(huán)保的關(guān)鍵領(lǐng)域分為三部分，無論哪一部分，傳感器均功不可沒。

　　　• 胎壓：駕駛時，輪胎適當(dāng)充氣不僅具有重要的安全意義，而且還可以節(jié)約燃料。由于胎壓不足，每天有四百萬加侖的燃料白白浪費掉（來源：美國國家公路交通安全管理局）。胎壓監(jiān)測傳感器正日益成為新型汽車的標準配置。

　　• 車載網(wǎng)絡(luò)：一輛典型的新型汽車有多達一百個電子控制模塊（如ABS、ESP、自動車窗、為兒童設(shè)計的后座娛樂系統(tǒng)等等），所有模塊都通過銅線實現(xiàn)相互通信。用于寶馬新款X5的FlexRay網(wǎng)絡(luò)及類似技術(shù)通過單個總線系統(tǒng)來運行，完全摒棄了銅線，從而使車體重量大幅減輕，平均減少100到200磅（即50至100公斤，約為一個普通成年人的體重），并將每箱燃料的行駛里程增加五英里。如果將此技術(shù)應(yīng)用于全球所有車輛，每年可減少向大氣排放1500萬噸的二氧化碳。
• 引擎：油箱中燃料所生成的75%的能量會因引擎和動力傳動系統(tǒng)的低效及空轉(zhuǎn)而損失掉（來源：www.fueleconomy.gov）。當(dāng)今汽車的電子控制單元（ECU）可實現(xiàn)控制和提供實時信息，以便計算機操控引擎的排量狀態(tài)。ECU可讀取位于引擎曲軸和凸輪軸處的傳感器，從而調(diào)節(jié)燃料流量和相應(yīng)進氣量，甚至可調(diào)整各種轉(zhuǎn)速及引擎負荷情況下的打火時間。在引擎內(nèi)部的惡劣條件下，對耐高溫精密測量系統(tǒng)的設(shè)計是極為復(fù)雜的，不過一旦應(yīng)用此系統(tǒng)即可顯著節(jié)約燃料。 
 
　　　　　
　　
　　圖2 恩智浦半導(dǎo)體汽車電子和智能識別產(chǎn)品大中華區(qū)高級市場總監(jiān)張煥麟

　　張煥麟表示，恩智浦是汽車行業(yè)的趨勢設(shè)定者，對下一步能夠橫掃市場的創(chuàng)新有著良好的認知，并深知汽車行業(yè)應(yīng)在何時做好準備，支持車載連接性解決方案等創(chuàng)新之舉。未來的汽車將比如今擁有更多的功能，無線USB就是一個很好的例子，它為車載電子產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了最簡便的途徑，例如可以從中控面板向后坐娛樂系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

　　迄今恩智浦的產(chǎn)品已經(jīng)獲得諸多重要產(chǎn)品市場的采用，如業(yè)內(nèi)第一款FlexRay收發(fā)器已應(yīng)用于寶馬5系汽車，PNX9520車載媒體處理器已經(jīng)在Delphi為克萊斯勒開發(fā)的Sirius后坐娛樂系統(tǒng)中得到部署。今后還會有更多的新產(chǎn)品不斷面市。

　　2008年，恩智浦將特別專注于以下領(lǐng)域：

　　- Sirius后座娛樂系統(tǒng)
　　- 與ibiquity合作推出車載多標準數(shù)字地面收音機
　　- 與BMW Research合作研發(fā)基于NFC的汽車鑰匙
　　- FlexRay
　　- 數(shù)字收音機
　　- 放大器
　　- 車載電視接收
　　- 連接性
　　- 車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）
　　- 汽車鑰匙創(chuàng)新
　　- 磁阻傳感器

　　功率器件提高系統(tǒng)架構(gòu)整體功能

　　由于汽車系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，控制需要更高級別的集成度。帶有高效功能劃分的系統(tǒng)架構(gòu)已成為業(yè)界一致追求的目標。功率器件現(xiàn)在包含許多保護和控制功能，并可在單個封裝中集成多個晶片，以便綜合多種硅技術(shù)的優(yōu)點，從而提高整體功能性，最大限度地降低成本?，F(xiàn)今車載系統(tǒng)的可制造性主要由元件級實現(xiàn)的功能性集成決定。在未來6年中，隨著許多應(yīng)用的成熟和擴展，汽車電子含量預(yù)計每年將會以8% 至10% 的速度增長。這些應(yīng)用將需要功能性集成元件，尤其是在功率管理及控制領(lǐng)域。
 
　　“市場對車載應(yīng)用功率產(chǎn)品的要求正在全方位擴展，”飛兆半導(dǎo)體高級技術(shù)經(jīng)理張三嶺告訴記者：“ 0V到600V的功率器件正被廣泛運用于現(xiàn)今各類車輛中。”對于動力轉(zhuǎn)向和剎車等應(yīng)用，研發(fā)工程師正在尋找低導(dǎo)通阻抗的高性能低壓溝道型MOSET，以降低車輛的功耗。其它應(yīng)用，比如壓電噴射或高強度照明，需要100V 到 200V的功率器件和驅(qū)動器。最后，點火IGBT和混合動力車輛采用300V 到 1000V以上的IGBT。

　　 張三嶺介紹說，飛兆半導(dǎo)體提供的系列汽車電子方案包括分離功率器件和功率模擬器件，主要用于動力傳動、底盤、車體和便利性應(yīng)用等的系統(tǒng)功率優(yōu)化，專注應(yīng)用領(lǐng)域包括點火、直接燃油噴射、螺線管控制、繼電器替換、電機控制及照明。2008年，飛兆半導(dǎo)體將針對從動力傳動控制到車體電子和底盤等廣泛應(yīng)用推出新的智能高邊開關(guān)、柵極驅(qū)動器IC和智能功率模塊，繼續(xù)拓寬其車載功能性功率產(chǎn)品業(yè)務(wù)。
 
　　　　　　

　　　　　　　　　　　　圖3 飛兆半導(dǎo)體高級技術(shù)經(jīng)理張三嶺

　　對于中國市場，張三嶺認為中國本土汽車市場不斷擴大為汽車電子，尤其是功率領(lǐng)域帶來了大量發(fā)展商機。鑒于汽車市場持續(xù)的價格壓力，將需要越來越多的本土廠商加入到這一市場來。此外，消費者對那些能夠提升舒適性和便利性功能的需求也日益增長，進一步推動了汽車市場中電子系統(tǒng)的發(fā)展，增長最快的系統(tǒng)包括動力傳動和車身電子。

　　非易失性 FPGA可靠性的競爭力正在提高

　　傳統(tǒng)意義上，汽車工程師一直依賴于微控制器 (MCU) 和 ASIC產(chǎn)品來實現(xiàn)和控制汽車上的電子系統(tǒng)，以及擴展每一代汽車電子的功能?，F(xiàn)在，隨著部件數(shù)目越來越多、產(chǎn)品快速推出市場的壓力越來越大，以及對性能的要求越來越高，加上價格要合理、設(shè)計風(fēng)險要低，許多設(shè)計人員開始轉(zhuǎn)向FPGA，作為面向下一代汽車電子設(shè)計的低成本解決方案。

　　根據(jù)市場研究機構(gòu)Gartner Dataquest的估計，全球汽車半導(dǎo)體市場規(guī)模將從2007年的201億美元增長到2010年的295億美元。隨著動力傳動系統(tǒng)和排放標準 (比如混合動力、電動和柴油車) 的發(fā)展，車載信息通訊系統(tǒng)、安全和控制及舒適性功能日益普及，在未來三年，汽車FPGA的總市場容量 (TAM) 將從9,300萬美元增長到3.12億美元。

　　Actel 公司高可靠性產(chǎn)品總監(jiān) Ken O’Neill坦誠：“FPGA 要爭取這個總市場容量還要看個別的結(jié)構(gòu)如何達到應(yīng)用的要求。”例如，在汽車電子行業(yè)，質(zhì)量、可靠性和零瑕疵是最重要的問題，特別是在核心汽車系統(tǒng)中所用的半導(dǎo)體，如引擎控制模塊、動力傳動、車體電子和安全系統(tǒng)，并不能夠出現(xiàn)故障或失效。這些因素加上不斷改變的技術(shù)標準、產(chǎn)品過時問題、更大的推出市場壓力和提升性能的需求，正推動許多汽車設(shè)計者轉(zhuǎn)向非易失性的FPG。

　　非易失性 FPGA 提供更低的功耗，有助于緩減以 SRAM為基礎(chǔ) FPGA常見的電子轉(zhuǎn)移和散熱可靠性的問題?；赟RAM的FPGA器件的功耗和熱耗散大，而額外的功率管理和冷卻措施會大幅增加其器件成本。這一點非常重要，因為高功耗和其它相關(guān)的熱問題會限制器件的使用壽命，特別是在要求嚴苛的引擎蓋應(yīng)用下。

　　Ken指出，也許更重要的是，非易失性FPGA不會因中子和阿爾法離子誘發(fā)SRAM配置擾亂而產(chǎn)生邏輯錯誤。Actel基于Flash的FPGA獨特地采用了片上 Flash內(nèi)存來實現(xiàn)開關(guān)控制，使到該系列產(chǎn)品具有固件錯誤免疫能力；這是向著零瑕疵發(fā)展產(chǎn)業(yè)的強制性要求。相反地，基于SRAM的FPGA配置數(shù)據(jù)容易由于中子誘引而產(chǎn)生錯誤；這種錯誤會以不可預(yù)測的方式改變邏輯、布線或I/O的行為。對于關(guān)鍵性的汽車應(yīng)用，如動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和車載信息通訊系統(tǒng)，這種邏輯錯誤有著重大的隱憂，因為以SRAM為基礎(chǔ)FPGA的FIT故障率通常已超出業(yè)界可接受的規(guī)范指標好幾個量級。

　　舉例說，對于采用 0.22 微米技術(shù)的 100 萬門密度 SRAM FPGA 來實現(xiàn)的乘客傳感器或安全氣囊控制器來說，預(yù)計的配置擾亂故障率為 4,375 個 FIT。如果這樣的安全系統(tǒng)被用在 500,000 輛汽車上，那么總的預(yù)計故障率將達到每天 52.5 起，即在群體中每 27.4 分鐘便會發(fā)生一次擾亂故障。由于這些故障都是 SRAM 配置內(nèi)存中發(fā)生的固件錯誤，由此產(chǎn)生的邏輯錯誤只能在 SRAM FPGA 重新加載后才能消除。

　　如果SRAM FPGA技術(shù)這種易于發(fā)生的固件錯誤廣泛傳播開來，代價將會如何？首先，由于現(xiàn)有的檢測技術(shù)無法防止已破壞的數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)，因此需要新的高質(zhì)量評測系統(tǒng)來檢查系統(tǒng)的固件錯誤。此外，針對已經(jīng)發(fā)生故障的FPGA (在目前的SRAM FPGA中不可能防止這些錯誤) 進行固件錯誤檢測和糾正的機制會給系統(tǒng)設(shè)計增加額外的復(fù)雜性，而且大幅增加板卡面積和部件數(shù)目。
以Flash 為基礎(chǔ)的解決方案具備固有的優(yōu)勢可應(yīng)對相關(guān)的市場風(fēng)險，因此，Actel 會繼續(xù)在汽車應(yīng)用中專注于其它創(chuàng)新以 Flash為基礎(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)勢，包括混合信號Actel Fusion 可編程系統(tǒng)芯片或超低功耗 IGLOO器件。

　　　　　　　　　　
 
　　　　　　　　　圖4  Actel公司高可靠性產(chǎn)品總監(jiān) Ken O’Neill