汽車電子技術創(chuàng)新加快汽車變革步伐

　　汽車電子產品可以改善控制、安全性、燃油經濟性和舒適性，同時提供類似家用的娛樂和連接體驗。目前的汽車電子支撐技術承諾會在未來提升所有這些領域的功能。

　　本文討論的產品和技術將改變汽車電子設計和汽車環(huán)境。這些創(chuàng)新技術包括具有雙面冷卻的電源封裝、具有高帶寬數字內容保護功能的串行器/串并轉換器(SERDES)芯片組、用于停止/啟動和混合動力汽車的音頻放大器，可提升安全性和系統(tǒng)性能的傳感器技術以及用于改善汽車連接體驗的無線技術。

功率MOSFET封裝

　　一些新型汽車應用需要更高的功率級別，比如電動助力轉向(EPS)、電源、混合動力汽車的電池開關以及微型混合動力汽車上的集成式啟動器交流發(fā)動機(ISA)等。

　　國際整流器公司(International Rectifier)的汽車DirectFET2功率MOSFET可提供更高的功率密度、雙面冷卻以及用于重型汽車荷載的極低寄生電感和電阻。其封裝設計采用鑄造銅夾將MOSFET的漏級與PCB相連，可提供改進的電氣連接和頂部冷卻途徑(圖1)。

圖1：IR的DirectFET2封裝對于三種封裝大小采用經過改進的相同內部結構。

　　汽車級封裝版本(AEC-Q100標準)于2010年年初發(fā)布，該封裝已經在大功率計算應用中使用多年。通過全面的汽車測試需對設計進行修改，同時IR還增大了封裝尺寸。

　　汽車級DirectFET2功率MOSFET的額定值均在175°C的最高結溫下提供。這些MOSFET的濕敏等級為1級(MSL1)。IR最近增加三個汽車系列的新成員。

　　AUIRF7738L2和AUIRF7737L2的最大電阻分別為1.6 mΩ和1.9mΩ，源漏電壓為40 V，與業(yè)界標準D2Pak封裝相比，其封裝尺寸更大，電路板空間小60%。AUIRF7736M2的最大電阻為3.0mΩ，源漏電壓也為40V，它采用較小的中型DirectFET2封裝，電路板空間與5mm×6mm方形扁平無引腳封裝(PQFN)或SO-8封裝相同。

具有HDCP功能的SerDes芯片組

　　美國國家半導體公司(National Semiconductor)的FPD-Link III SERDES芯片組在2010年最初推出時滿足了汽車信息娛樂和駕駛輔助系統(tǒng)的需求。例如，它可以用于將來自車載攝像頭的高速視頻數據傳送到數字顯示屏中。

　　最近推出的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q串并轉換器是業(yè)界首個用于汽車信息娛樂系統(tǒng)的具有高帶寬數字內容保護(HDCP)的SERDES芯片組。由于該芯片組支持滿足數字內容保護(DCP)LLC的規(guī)范的受保護視頻和音頻內容的車內分發(fā)，因此它支持在車內播放分辨率高達720p的藍光電影。華納兄弟娛樂公司、迪斯尼公司和索尼影視娛樂等主要內容提供商均認可HDCP功能。

　　在汽車中提供高品質觀看體驗是汽車制造商致力于在移動環(huán)境中提供家用級體驗的工作的目標之一。此外，最新的FPD-Link III SERDES芯片組(圖2)支持音視頻數據與單差分對的雙向控制的合并。這樣就壓縮了互連尺寸、重量和成本，進一步簡化了汽車系統(tǒng)的系統(tǒng)設計工作。

圖2：NSC的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q解串器在一條雙絞線電纜上實現(xiàn)高帶寬數據和控制。

　　保存在SERDES芯片組中的獨特HDCP密鑰可防止視頻內容在未經授權的情況下使用。此外，此芯片組還可對內容數據加密。它根據HDCP規(guī)范進行所需的認證交換。

音頻放大器

　　意法半導體(ST)的TDA7850LV音頻功率放大器可解決節(jié)能型發(fā)動機啟停功能帶來的問題。這種特性與高效率引擎管理程序等其它技術相結合，有望將某種模式下的油耗降低20%。根據Strategy Analytics公司的數據，截至2015年啟停系統(tǒng)的年需求量有望達到2千萬部。

　　由于電池是電力的唯一來源，因此微型混合動力汽車和混合動力電動汽車中的啟停系統(tǒng)可在發(fā)動機關閉和重新啟動時使車載電子設備的供電電壓下降至6V。

　　此外，電池電源和交流發(fā)電機電源之間的切換會產生“咔嗒”的噪聲。在這兩種情形下，車內音頻的品質都會降低。

　　TDA7850LV是意法半導體新型器件系列(圖3)的首個成員，該器件專為解決這些新興的電力輔助汽車中的這些問題而設計。4x50W MOSFET輸出級具有2Ω輸出驅動器，可與諸多揚聲器類型兼容。

圖3：ST針對啟停功能的音頻功率放大器提供了三種不同的外形尺寸。

　　此外，該器件還集成了調節(jié)供電電壓和抑制“咔嗒”噪聲的電路。由于不需要增加外部元器件來獲取這些功能，因此簡化了系統(tǒng)設計工程師的設計工作，降低了成本，同時節(jié)省了PCB空間。

　　隨著汽車變革步伐的加快，能夠解決其它汽車系統(tǒng)中的變革引起的問題的及時創(chuàng)新IC將變得越來越普遍。

提升安全性和系統(tǒng)性能的傳感器技術

　　從多軸微機電系統(tǒng)(MEMS)到視頻和雷達傳感器，從舶來品到成熟的技術，傳感器開創(chuàng)了控制系統(tǒng)的歷程。傳感器和基于傳感器的系統(tǒng)的供應商正在開發(fā)的最新技術進步包括高級封裝、傳感器接口以及整合的傳感器和先進系統(tǒng)概念，以實現(xiàn)更高的控制并降低安全系統(tǒng)的成本。

　　系統(tǒng)要求規(guī)定了傳感器或用于系統(tǒng)中的傳感器的規(guī)格，并最終確定哪一種傳感器技術滿足這些要求。電動助力轉向(EPS)就是一個很好的例子。EPS是汽車制造商使用的節(jié)能措施之一。

　　EPS正憑借能將油耗降低4%的能力而逐漸普及。根據底特律新聞報中一篇文章，福特汽車公司表示，截至2012年該公司90%的汽車都將擁有EPS。美國密歇根州薩吉諾的一家公司Nexteer Automotive的全尺寸皮卡有望在未來三年內開始使用電動助力轉向。

　　EPS也是自動停車輔助、自適應巡航控制(ACC)等其它高級功能、混合動力汽車和帶起停式系統(tǒng)的汽車的基本功能。此外，EPS還可能是未來防撞系統(tǒng)的一部分。

　　在EPS系統(tǒng)中，傳感器指示駕駛員的轉向要求，因此微控制器可以開動駕駛桿或轉向齒條的電動馬達?；魻柶骷?半導體傳感器元老之一)不斷針對EPS和其它馬達控制應用進行改進。已有兩家供應商在EPS系統(tǒng)中采用了截然不同的霍爾技術。

　　Melexis繼推出USx88x系統(tǒng)之后已設計出其第二代霍爾鎖存?zhèn)鞲衅?。首款產品MLX92211的工作電壓為2.7至24V。垂直施加于封裝頂部的南北磁場可產生用于切換“開通”和“關斷”的開漏輸出。

　　除了極高的靜電放電(ESD)、反向電壓保護和輸出短路保護等級等保護功能之外，平臺的磁芯設計還可以最大限度地降低溫度敏感性。為補償溫度上升時的磁性減弱，Melexis實現(xiàn)了-1000 ppm/℃的負溫度系數。這樣就可以產生極穩(wěn)定和精確的磁鐵開關點。除了EPS應用之外，霍爾器件還可用于車窗玻璃升降器、天窗、座椅調節(jié)器、刮水器或電機換向中。

　　相比之下，博世(Bosch)的工程師選擇在ESC系統(tǒng)中使用霍爾器件。為降低成本，這種方法替代了GMR(巨磁阻)技術提供的絕對測量方法，該公司在其LWS5轉向角傳感器中使用了這一技術。更新的LWS6專門針對緊湊型汽車和小型汽車的基本功能，也可以用于電動液壓助力轉向或ACC系統(tǒng)。這個成本更低的技術仍可提供1.5的典型轉向角信號分辨率。控制器件通過來自傳感器的方波輸出計算轉向車輪的位置、旋轉方向和旋轉速度。

　　博世的工程師還將霍爾器件用于專門針對EPS應用的扭矩傳感器轉向(TSS)中。此傳感器包含兩個霍爾傳感元件，可測量駕駛員通過圍繞扭力桿的兩個同心圓的操作所施加的轉向力。輪胎和路面之間的摩擦阻力引起轉向力增加，從而產生成正比的TSS輸出，它可以解決磁通量變化引起的小至0.002°的扭角(參見圖4)。

　　EPS和ESC只是霍爾傳感器的兩個汽車應用?；魻杺鞲屑夹g已被Preh作為非接觸式傳感方法集成到Ford Coyote V-8引擎的Pierburg油門體中。用于Ford F-150卡車和Mustang客車的霍爾設計可提供電位傳感器的備用方案。對于可能的應用，此傳感器的工作溫度范圍為-58℃至+160℃。

1. 傳感器接口要求

　　傳感器一般通過控制器局域網絡(CAN)或本地互連網絡(LIN)協(xié)議連接到汽車總線。SAE J2716 SENT(用于單邊半字節(jié)傳輸)協(xié)議和PSI5組織的外圍傳感器接口5(PSI5)是專為傳感器開發(fā)的兩個新興接口。

　　SAE的SENT編碼方案針對高分辨率傳感器數據需要傳送到引擎控制模塊等電子控制單元(ECU)的應用。SENT只需要一次轉換，而不需要傳統(tǒng)技術所需的多次模數轉換，從而節(jié)省了傳感器和ECU的成本。除了方便實現(xiàn)SENT的診斷功能之外，該協(xié)議還提供用于可靠數據傳輸的循環(huán)冗余碼校驗(CRC)。

　　奧地利微電子公司(Austria Microsystems)在其AS5165角位置傳感器中使用了霍爾傳感技術，該傳感器增加了使用SENT協(xié)議傳送數據的能力，針對節(jié)氣門和閥門位置傳感和其它動力系統(tǒng)傳感應用。磁性編碼器在單個封裝中整合了集成式霍爾元件、模擬前端和數字信號處理功能。除了易于傳送高分辨率傳感器信息之外，此傳感器還集成了多個保護功能，包括防止電源和輸出引腳的電壓達到27V的過壓保護、防止電源引腳出現(xiàn)-18V的反極性的保護以及用于連續(xù)短路檢測和斷絲檢測的保護。