無線ASIC將加速胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的普及應(yīng)用

某些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了對(duì)TPMS需求的迫切性。例如，雷諾汽車的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高速公路上6%致命的意外事故是由欠壓的輪胎突然失效所引起的；而米其林公司進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，英國30%的駕駛員都只依賴于汽修廠定期檢修時(shí)的胎壓檢測(cè)服務(wù)。但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)殡S著車輛可靠性的改善，定期檢修的間隔期間越來越長，目前一些最新車輛的檢修服務(wù)里程間隔能長達(dá)25000公里！

許多新型高檔汽車已將胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列為標(biāo)配。過去是以輪間轉(zhuǎn)速差為依據(jù)來檢查某個(gè)輪胎是否欠壓，從而實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)的目的，進(jìn)而提高車輛防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的性能。然而遺憾的是，這類系統(tǒng)的精確度和反應(yīng)時(shí)間不能滿足規(guī)定的要求；其原因是它依賴于壓差測(cè)量，如果所有的輪胎都充氣不足時(shí)，該系統(tǒng)就不能發(fā)出可靠的報(bào)警。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，當(dāng)超過輪胎保養(yǎng)周期時(shí)，需要駕駛員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)定。

圖1顯示的解決方案能夠監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力、運(yùn)動(dòng)、溫度和電池電壓。來自每個(gè)輪胎上的信息被處理，處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到車輛中央控制器，必要時(shí)它會(huì)向駕駛員發(fā)出危險(xiǎn)告警。提供給駕駛員的信息可以只是簡單的報(bào)警，也可以是在儀表盤的數(shù)字顯示器上具體顯示每個(gè)輪胎的壓力數(shù)據(jù)。有些系統(tǒng)可能還包括請(qǐng)求讀取功能或者叫做按需讀取功能。

AMI半導(dǎo)體已開發(fā)制造出了一系列低速率的TPMS無線解決方案，支持千兆頻率以下的應(yīng)用。TPMS的工作頻率可能繼續(xù)保持為免許可頻段(美國為325MHz頻段，歐洲為434MHz頻段)，以便TPMS可以利用遙控?zé)o鑰進(jìn)入(RKE)接收器。

TPMS關(guān)鍵的指標(biāo)是：耗電量、體積、可靠性和成本。該設(shè)備還必須符合國際上各種規(guī)定，包括美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)制訂的主要標(biāo)準(zhǔn)。

降低能耗

耗電量是TPMS傳感器/發(fā)射器要考慮的主要問題之一。為使傳感器/發(fā)射器模塊盡量小巧、輕便，對(duì)電池的大小作了嚴(yán)格的規(guī)定。由于電池的體積縮小，電池容量或有效能量也變小。汽車制造商都期望有壽命較長的電池，一般規(guī)定電池的最短壽命為10年，容量最小為220mAh。這樣的電池等同于一個(gè)平均連續(xù)耗電電流為2.5μA的TPMS系統(tǒng)連續(xù)工作87，000個(gè)小時(shí)(約10年)。

圖1：輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案方框圖

要使電池壽命盡量延長，就必須以很高的占空比為設(shè)備的各個(gè)部分供電。作為電源管理一部分，這些設(shè)備需包含一個(gè)“惰態(tài)”工作模式和一個(gè)“活躍”工作模式?！盎钴S”模式受汽車運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)，其壓力讀取率能比“惰態(tài)”模式高一百倍。在射頻發(fā)射期間，TPMS的耗電量最高，高出壓力測(cè)量處理模式期間的5倍以上。如果減少壓力測(cè)量發(fā)射次數(shù)或僅在壓力大幅度減少時(shí)才進(jìn)行測(cè)量和發(fā)射，就能節(jié)省大量的功耗。

用做喚醒計(jì)時(shí)器的RC振蕩器是需要連續(xù)工作的電路中的一部分。另一種持續(xù)電流消耗是由于設(shè)備的泄露而引起的。這兩項(xiàng)總計(jì)大約為400nA。“惰態(tài)”模式電路的耗電預(yù)計(jì)占電池10年壽命的90%，有望把該狀態(tài)下的平均電流降低至500nA。這樣，就使得“活躍”模式中的平均電流可以提高到約2.8μA,但這仍然只是個(gè)小數(shù)目的增加。

由于該振蕩器能迅速升至它們所需的工作點(diǎn)，因此在一些電路中的功耗有望能進(jìn)一步降低。其中需要大量啟動(dòng)時(shí)間的一個(gè)電路就是晶體振蕩器。在這種情況下，使用AMI半導(dǎo)體公司的“快速啟動(dòng)晶體振蕩器”IP會(huì)比較有利。這種自校準(zhǔn)電路可以將振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間減少到5-10μs之間，而一般的晶體振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間為5-10ms。

為了將電源損耗降至最小，還需要采用超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AMI半導(dǎo)體“鑒聽(sniff)模式”的快速喚醒功能(信號(hào)波形如圖2所示)以及利用片上智能芯片來減少RF發(fā)射次數(shù)等。

圖2：AMI半導(dǎo)體“鑒聽模式”的快速喚醒功能信號(hào)波形圖

可靠性
　　
如果能盡量減少外接元件的數(shù)目，TPMS模塊的可靠性就能得到改善，電路板或模塊所占的空間也會(huì)減小。事實(shí)上，許多IP模塊的設(shè)計(jì)都將此作為一個(gè)目標(biāo)。我們還可以把許多外接元件集成到一起，如晶體負(fù)載電容器、鎖相環(huán)(PLL)濾波元件及溫度傳感器。
　　
對(duì)于所有的RF無線通信應(yīng)用，多徑衰減都會(huì)為可靠通信帶來嚴(yán)重的影響。由于車輛處在一個(gè)不斷變化的環(huán)境中，故TPMS應(yīng)用中的多徑衰減也會(huì)引起嚴(yán)重問題。為減少這些問題的出現(xiàn)，可以使用雙天線分集接收，AMIS-52100中即是如此。分集功能可以獨(dú)立自動(dòng)工作，不需要外部控制器或RF開關(guān)。

圖3

降低成本

在努力滿足TPMS的強(qiáng)制性要求時(shí)，成本仍然是汽車制造商們要考慮的一個(gè)基本問題。前面已經(jīng)提到，將TPMS中央控制器與RKE系統(tǒng)集成在一起可以獲得很大的經(jīng)濟(jì)利益，目前大多數(shù)車型都采用了該方法。利用成熟、高效的處理器和IP也有助于降低成本；例如AMIS采用了經(jīng)過驗(yàn)證的0.35μm混合信號(hào)技術(shù)。還要選用一種經(jīng)濟(jì)的EEPROM模塊，該模塊用來存儲(chǔ)一些校準(zhǔn)值、輪胎序列號(hào)或位置編號(hào)。
　　
為將系統(tǒng)元件數(shù)減到最少，建議把看起來應(yīng)該是硅基MEMS之類的傳感器與接口/發(fā)射器IC集成在一個(gè)多芯片封裝中。不過，在同一裸片上集成傳感器與接口/發(fā)射器并不見得經(jīng)濟(jì)可行。原因在于：雖說大尺寸的CMOS工藝一般來說只會(huì)便宜一些，但將該工藝用于傳感器時(shí)就要比一般的CMOS工藝便宜很多，這是由于采用該工藝時(shí)，使得傳感器的制造簡單了許多；另外，傳感器元件的體積也比較大，這些特征使它們與CMOS ASIC不太協(xié)調(diào)。