未來的汽車電子系統(tǒng)中，隨著對(duì)安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂等需求的增加，相關(guān)元器件及其周邊產(chǎn)品的出貨也將持續(xù)快速增長。諸多汽車電子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要從元器件層面就開始考慮解決方案。圍繞這個(gè)話題，介紹新型傳感器、保護(hù)器件、高壓連接器在汽車動(dòng)力控制、安全系統(tǒng)、通信娛樂、充放電系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。
汽車電子的技術(shù)升級(jí)速度和其他應(yīng)用領(lǐng)域如工控、醫(yī)療相比是相當(dāng)快的，這有多方面的原因。首先汽車電子和人們的日常生活緊密相關(guān)，尤其在歐美這些以車代步的國家，汽車作為必需品，幾乎是大多數(shù)人日常出行的唯一選擇。而正在崛起的新興市場如中國、印度，汽車市場飛速增長，據(jù)最新報(bào)道，深圳的汽車保有量剛剛突破170萬輛，成為汽車密度最高的內(nèi)地城市。可以看出越來越多家庭有了購車的需求，從而推動(dòng)了汽車電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
據(jù)isuppli的調(diào)查顯示，2012年中國汽車電子銷售額將從2009年的160億美元增長到206億美元。而2012年美國汽車電子市場將為205億美元，屆時(shí)第一的位置將讓給中國。
汽車有多個(gè)子系統(tǒng)，構(gòu)成非常復(fù)雜。每個(gè)子系統(tǒng)都離不開大量的汽車電子產(chǎn)品——當(dāng)然，不同級(jí)別的汽車使用汽車電子的數(shù)量不盡相同。例如目前中國市場的主流汽車電子系統(tǒng)不太復(fù)雜，智能程度不高。這些系統(tǒng)主要專注于轉(zhuǎn)向、駕駛輔助、乘員消極保護(hù)、剎車和控制系統(tǒng)以及舒適方便。
隨著市場的升級(jí)，未來汽車電子的應(yīng)用熱點(diǎn)也將面臨變化，能源系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、避撞、線控駕駛、控制系統(tǒng)、智能傳感器與激勵(lì)器、集成汽車電氣與電子系統(tǒng)和熱舒適系統(tǒng)都將扮演著更重要的角色。
下面，我們就來分析這些新興的需求為元器件市場帶來了哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
元器件在汽車安全系統(tǒng)中的作用
安全性是汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的第一要素。新的行車安全離不開穩(wěn)定的引擎管理系統(tǒng)，而傳感器件作為汽車內(nèi)使用量最大的器件之一，在安全系統(tǒng)中也被大量應(yīng)用。
行車安全方面，及時(shí)檢測引擎溫度是非常重要的一環(huán)。在檢測的同時(shí)，還必須確保可靠性和使用壽命。TDK最新的傳感器重量僅為傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的50%，但在保障溫度檢測準(zhǔn)確性的同時(shí)，防震性能和使用壽命也得到了大幅提升。傳感器頂部的塑料外殼可保證極佳的熱傳導(dǎo)性，從而優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間和精確度，有利于測量汽車油溫和冷卻液溫度。另外反應(yīng)快、適應(yīng)范圍廣也是該產(chǎn)品特色。
汽車在起停等常規(guī)操作中，會(huì)受到電氣干擾和高頻影響，產(chǎn)生干擾。通過配線系統(tǒng)傳導(dǎo)，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設(shè)備。干擾源包括啟動(dòng)系統(tǒng)、交流電機(jī)、負(fù)載切換、開關(guān)抖動(dòng)以及“拋負(fù)載”（即直流電機(jī)運(yùn)行過程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓）。
這些浪涌中最具破壞性的是“拋負(fù)載”，發(fā)生在引擎正在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，在交流電機(jī)正在給電池充電時(shí)斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時(shí)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和場激勵(lì)的大小。這一浪涌過程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對(duì)半導(dǎo)體電路具有潛在的致命影響。一旦電子電路受到破壞，就可能對(duì)安全造成極大隱患。
PPTC保護(hù)器件是一種可復(fù)位的聚合物正溫度系數(shù)器件，一直以來應(yīng)用于電源直流輸出端的過載和短路保護(hù)。泰科電子瑞侃的PolySwitch產(chǎn)品能夠?yàn)殡娫础XE輸入/輸出接口提供保護(hù)，也能實(shí)現(xiàn)過熱、電機(jī)失速等保護(hù)。
除了PPTC器件，MOSFET也能起到類似的保護(hù)。不過， MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)之外，還能使功率組件更符合最低的系統(tǒng)成本，藉以達(dá)到更為優(yōu)異的故障自我保護(hù)系統(tǒng)。因此，大部分的設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而采用具有保護(hù)作用的MOSFET功率組件來完成。
車載娛樂系統(tǒng)中半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用
信息娛樂設(shè)備也容易因?yàn)檫^高的瞬變電壓而損壞，其中包括它所在的工作環(huán)境及周邊設(shè)備產(chǎn)生的靜電放電（ESD）脈沖。往往使用ESD保護(hù)器件、金屬氧化物變阻器（MOV）和齊納二極管來保護(hù)汽車電子設(shè)備，例如天線、背光加熱器、電池、按鍵、電路板上的印制線、CD/DVD播放器，數(shù)據(jù)線端口、硬盤驅(qū)動(dòng)器以及輸入/輸出端口和觸摸屏。
車內(nèi)充電的便攜設(shè)備對(duì)過流過壓保護(hù)的需求很大，泰科電子的 PolyZen 器件能夠滿足保護(hù)需要。這種器件與類似于齊納二極管的保護(hù)器件一起使用時(shí)，具有協(xié)同保護(hù)的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。
車內(nèi)的高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護(hù)器件，盡量保持信號(hào)質(zhì)量不會(huì)下降。選用的器件應(yīng)當(dāng)適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。
PPTC電路保護(hù)器件在車載信息娛樂系統(tǒng)中一樣得到了廣泛的采用。它作為一種實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，起到了過流和或過熱保護(hù)的作用。在GPS、DVD或者收音機(jī)和汽車通訊信息系統(tǒng)（telematics）的電路板中，也常常用它來限制電流。
新能源汽車引領(lǐng)高壓連接器潮流
快速發(fā)展的電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車市場將引發(fā)大批高壓連接器應(yīng)用，這些應(yīng)用新穎、令人矚目。不同汽車制造商正在嘗試不同方法以實(shí)現(xiàn)低排量或零排量的目標(biāo)，由此也將進(jìn)一步提高對(duì)連接器供應(yīng)商的要求。這些要求有一個(gè)共性，即在滿足不同程度的安全及人身保護(hù)要求的同時(shí)，不斷降低成本，減小重量和體積。同時(shí)，制造商不會(huì)放棄現(xiàn)代消費(fèi)者所期望的高可靠性和耐用性。
連接器廠商中，F(xiàn)CI在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車市場上有強(qiáng)大的競爭力。新推出的Power.S3系列是專為新一代充電電池驅(qū)動(dòng)的插電式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。
使用大容量鋰電池是電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)多樣化選擇的一個(gè)共同點(diǎn)。鋰電池工作電壓的范圍為400~600V。這至少是傳統(tǒng)汽車標(biāo)準(zhǔn)14V鉛酸電池的10倍以上，因此FCI連接器公司開發(fā)了應(yīng)用專門的連接器和充電插頭的全方位的解決方案。
這些新的連接器和充電插頭需要解決許多重大的問題。其中，最首要的就是安全問題，因?yàn)樾碌倪B接器和充電插頭工作電壓的范圍為400~600V，工作電流的 范圍達(dá)到50~300A甚至更高。考慮到操作工在汽車的整個(gè)生命周期中會(huì)不可避免地接觸發(fā)動(dòng)機(jī)艙，高標(biāo)準(zhǔn)的防觸電保護(hù)需求是顯而易見的。此外，在如此高的功率下，電磁干擾是另一個(gè)重要問題。還有，在連接器插拔操作中會(huì)產(chǎn)生電弧，這會(huì)嚴(yán)重危害到電氣連接和電子設(shè)備，并且可能引起汽車燃燒。
隨著大容量鋰電池的出現(xiàn)，在一些案例中引發(fā)了危險(xiǎn)的失效模式。此外，如何降低電池的重量和成本仍是一項(xiàng)難題：一方面，增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和電池的容量意味著每個(gè)元件的重量都要減輕；另一方面，由于新一代電動(dòng)汽車?yán)卫蔚囟ㄎ挥诖蟊娛袌觯?jīng)濟(jì)性同樣扮演著極為重要的角色。而僅電池成本就可能高達(dá)數(shù)千歐元， 因此，降低汽車內(nèi)其他配置成本的壓力就更大了。
為了迎接這這所有的挑戰(zhàn)，F(xiàn)CI連接器公司的Power.S3系列的新型連接器和充電插頭產(chǎn)品在高功率操作、成本競爭力、耐久性、緊湊性、人體工學(xué)和人員安全方面做了最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。，F(xiàn)CI連接器公司與REMA（REMA是一家制造電動(dòng)叉車用插頭和插座的專業(yè)生產(chǎn)廠家）攜手合作，最先推出的合作成果是單相16/32A充電插頭和插座，符合SAE J1772和IEC62192-1標(biāo)準(zhǔn)：“慢充”電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車應(yīng)用方面的國際通用標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品用于在公共充電站或在家對(duì)汽車的鋰電池充電，充電時(shí)間為4~8h。
汽車領(lǐng)域仍然具有開拓性，對(duì)于工程師來說，要保證系統(tǒng)完全無故障地工作并不容易。這種針對(duì)性能的模擬和分析對(duì)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)者來說是至關(guān)重要的。涉及這些新型汽車設(shè)計(jì)和制造的公司都處于快速上升的學(xué)習(xí)階段，而對(duì)于產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的性能，還有許多東西有待我們學(xué)習(xí)。
車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)電路保護(hù)方案
車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將扮演著越來越重要的角色。新型客車、卡車、公共汽車甚至摩托車都已成為移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，將眾多特征和功能連接在一起，如內(nèi)置控制、移動(dòng)媒體和無線網(wǎng)絡(luò)。信息娛樂系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息處理、安全控制等的應(yīng)用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其中LIN、CAN、FlexRay就是最重要的三種標(biāo)準(zhǔn)。
LIN拓?fù)涞碾娐繁Ｗo(hù)措施
LIN總線拓?fù)渫ǔＳ糜谶B接開關(guān)、傳感器和促動(dòng)器至車載網(wǎng)絡(luò)LIN總線標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)LIN總線路因正電壓小于 26.5V或接地而出現(xiàn)短路時(shí)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)恢復(fù)正常工作。物理層上的ESD浪涌電阻根據(jù)IEC61000-4-2要求必須符合最低放電電壓電平±2kV。然而，ECU連接器上可能會(huì)出現(xiàn)達(dá)到±8kV的電平。
下圖為為協(xié)同的電路保護(hù)圖，顯示出一個(gè)設(shè)置在功率輸入的可復(fù)位PolySwitch器件如何在電源輸入端保護(hù)ECU和LIN節(jié)點(diǎn)連接器免受過電流情況的損傷，以及一個(gè)MLV（多層電壓敏電阻器）如何為車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供所需的高電流處理和能量吸收的過電壓保護(hù)。
需要通過過電流保護(hù)對(duì)出現(xiàn)故障或過載現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行過電流限制。同時(shí)也需要通過電路保護(hù)設(shè)備限制電壓尖峰或處于穩(wěn)定的過電壓狀況。
CAN 拓?fù)涞碾娐繁Ｗo(hù)措施
CAN總線收發(fā)器可允許總線供電電壓高達(dá)+/-80V直流電。然而，甩負(fù)荷浪涌會(huì)產(chǎn)生出比ISO-7637-2標(biāo)準(zhǔn)（最大86.5V）中規(guī)定的更高瞬態(tài)，可能會(huì)損傷收發(fā)器。收發(fā)器的操作電流也因供貨商的不同而有所差異。
下圖顯示了如何在電源輸入端應(yīng)用可復(fù)位PolySwitch設(shè)備和MOV（金屬氧化電壓敏電阻器）從而避免因車載供電系統(tǒng)中心的浪涌電流和電壓異常而產(chǎn)生的損傷。
FlexRay拓?fù)涞碾娐繁Ｗo(hù)措施
FlexRay協(xié)議專為線控應(yīng)用所設(shè)計(jì)，如線控剎車和線控方向盤。該線控網(wǎng)絡(luò)方式支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率約為10Mb/s，具有時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)行為、冗位和容錯(cuò)的特點(diǎn)。
該結(jié)構(gòu)支持一“束”2個(gè)節(jié)點(diǎn)至64個(gè)節(jié)點(diǎn)，其功能主要依靠于兩種類型的處理器—ECU和“活動(dòng)星”。 FlexRay通訊通過一個(gè)常用總線或一個(gè)星形連接在ECU之間進(jìn)行。FlexRay元件的總線輸入必須避免在總線路和系統(tǒng)供電電壓或地電位之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象。
下圖方案利用一個(gè)PolySwitch設(shè)備進(jìn)行過電流保護(hù)。
車載照明電路保護(hù)方案
車載照明系統(tǒng)要求高達(dá)55A的峰值浪涌電流。控制車載照明的理想解決方案之一，就是將一個(gè)高壓側(cè)前置FET驅(qū)動(dòng)器和功率FET組合。
一個(gè)前置 FET 驅(qū)動(dòng)器被用來控制系統(tǒng)中的四種不同負(fù)載。這種組合能夠通過溫度系數(shù)較好地控制阻性負(fù)載。通常，負(fù)載被連接在低壓側(cè)，而功率 FET 則在高壓側(cè)完成配置，以為負(fù)載供電。每一條通道都可以由一個(gè)來自微控制器的并行輸入信號(hào)或串行編程寄存器來控制。在一個(gè)并行結(jié)構(gòu)中，一個(gè)通用 I/O 或基于定時(shí)器的輸出被用來控制負(fù)載電流。
柵極驅(qū)動(dòng)輸出通常為一個(gè)恒定電流源，并且吸入輸出端來控制 FET 柵極電容充電和放電特性。與輸出串聯(lián)的一個(gè)外部電阻器限制了 FET 開關(guān)轉(zhuǎn)換的升降次數(shù)。這種效應(yīng)使轉(zhuǎn)換率得到了控制，同時(shí)還可有助于減少會(huì)增加電磁干擾（增加開關(guān)損耗和功耗）的開關(guān)極限期間出現(xiàn)的快速電流變化。這些輸出在內(nèi)部被控制在 17V 的最大輸出電壓以下，以保護(hù)外部 FET 柵極免于源擊穿損壞。與一款集成的解決方案相比較，可以對(duì)前置 FET 驅(qū)動(dòng)器和功率 FET 的組合進(jìn)行配置，以防止應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)故障。
車載照明電路故障檢測和控制方案
在所有的系統(tǒng)中故障檢測都是至關(guān)重要的。能夠獨(dú)立地對(duì) “開啟”狀態(tài)下有短路負(fù)載和過電流現(xiàn)象以及“關(guān)閉”狀態(tài)下有開路負(fù)載的每一條通道進(jìn)行故障檢測，將使系統(tǒng)能夠做出正確的反應(yīng)。這種檢測同時(shí)還可以將出現(xiàn)故障的通道隔離開，以避免影響其它正常通道，特別是在涉及熱相互作用問題的時(shí)候。
當(dāng)檢測到一個(gè)過電流狀態(tài)時(shí)，通過“關(guān)閉”器件或激活將以低占空比自動(dòng)重試和 “開啟”FET 的選項(xiàng)設(shè)置，就可以對(duì) FET 進(jìn)行保護(hù)。這樣就允許系統(tǒng)不斷地檢查故障是否已經(jīng)被排除，并且不會(huì)破壞 FET。
在“關(guān)閉”狀態(tài)下監(jiān)控開路負(fù)載故障為系統(tǒng)提供了負(fù)載完整性信息。當(dāng)開關(guān)完全處于“關(guān)閉”狀態(tài)下時(shí)，通過監(jiān)控外部功率 FET 的電源電壓，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一條通道開路負(fù)載故障的檢測。
同樣地，為了防止開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)錯(cuò)誤的故障報(bào)告，一種抗尖峰脈沖濾波器在電源轉(zhuǎn)換期間被激活，以屏蔽故障。可以對(duì)該抗尖峰脈沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來對(duì)所有轉(zhuǎn)換率控制實(shí)施進(jìn)行補(bǔ)償。如果該開路負(fù)載發(fā)生在開關(guān)轉(zhuǎn)換以后，那么在系統(tǒng)做出正確的動(dòng)作以前故障的確定有效時(shí)間比故障掩模時(shí)間要長。正確的動(dòng)作就是使該場效應(yīng)晶體管保持在“關(guān)閉”狀態(tài)下。
將一個(gè)高壓側(cè)前置FET驅(qū)動(dòng)器和功率FET組合被廣泛地用于負(fù)載控制，例如：車載電子的白熾燈泡、繼電器螺線管和傳輸螺線管等，還可能被應(yīng)用于那些要求通過串行總線通信或者并行輸入控制來實(shí)現(xiàn)負(fù)載控制的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中。將每一個(gè)功率 FET 與熱相互作用隔離的這種能力，在那些單通道短路或者熱關(guān)閉故障不會(huì)中斷其它負(fù)載控制通道功能的情況下是非常有好處的。
混合動(dòng)力車（HEV）中的半導(dǎo)體器件解決方案
高電壓帶來的挑戰(zhàn)是混合動(dòng)力車必須解決的問題。幾年前，汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。現(xiàn)在的汽車，包括混合動(dòng)力汽車，則采用20V到600V的功率器件。對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向及制動(dòng)這類應(yīng)用，開發(fā)工程師正在尋找具有低導(dǎo)通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET，以降低汽車的功耗。
輕度、全面及插電式HEV更是需要600V到1，200V之間的高電壓電子系統(tǒng)，這使設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。除了需要高達(dá)600V到1，200V的高電壓能力外，也需要驅(qū)動(dòng)逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器中前所未見的電流密度的開關(guān)。功率IC要面對(duì)這樣的高功率、高電壓以及高能源，就要以堅(jiān)固耐用、可靠性和安全作為主要的條件。IR 的Hauenstein博士曾表示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的保護(hù)功能非常重要，在HEV牽引電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障和短路時(shí)，免除了微型控制器的互動(dòng)需要。因?yàn)檫@個(gè)問題在HEV逆變器中，開關(guān)高電流、高電壓IGBT時(shí)十分常見。”
IR的HEV方案系列也包括了具備非常低EMI和優(yōu)化了的開關(guān)性能的驅(qū)動(dòng)器及開關(guān)。例如最新的DirectFET MOSFET產(chǎn)品便完全不用鍵合線，并且因?yàn)橄舜蟛糠值募纳姼校约熬邆渥钚〉姆庋b電阻，所以能夠提供最佳的開關(guān)性能。除了領(lǐng)先行業(yè)的低導(dǎo)通電阻、卓越的開關(guān)性能和增強(qiáng)了的溫度能效（例如雙側(cè)散熱），這款十分先進(jìn)的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設(shè)計(jì)的體積顯著減小，特別適用于高功率要求或者如HEVDC/DC轉(zhuǎn)換器這些快速開關(guān)應(yīng)用。
IGBT和功率MOSFET作為混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)，吸引功率半導(dǎo)體廠商紛紛瞄準(zhǔn)這個(gè)龐大的市場。ISuppli曾預(yù)測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復(fù)合增長率高速發(fā)展，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場增長居其次。雖然在未來幾年中混合動(dòng)力車輛還將只是占據(jù)車輛市場的一小部分，但混合動(dòng)力對(duì)逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對(duì)IGBT和功率MOSFET的巨大需要。
中國主要的汽車電子市場及發(fā)展機(jī)遇
安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能和信息化，是未來汽車的發(fā)展趨勢。中國汽車市場使得汽車娛樂系統(tǒng)得以快速的發(fā)展，而這種發(fā)展是在現(xiàn)有市場規(guī)模下的呈指數(shù)生長狀態(tài)的增長。有市場研究表明，中國的總體汽車產(chǎn)量非常龐大，而車載娛樂系統(tǒng)數(shù)量也同樣可觀，主要提供OEM支持服務(wù)。
汽車運(yùn)用電腦作為平臺(tái)以達(dá)到車載通信、導(dǎo)航、視聽娛樂、網(wǎng)絡(luò)控制、為區(qū)域市場趨勢的一體化而設(shè)計(jì)的集成多媒體信息系統(tǒng)等功能。有調(diào)查分析表明，中國現(xiàn)在市場發(fā)展的前景存在于大的汽車電子市場。而汽車行駛安全性和小型汽車相關(guān)的娛樂導(dǎo)航信息系統(tǒng)控制、車身電子相關(guān)控制等，將成為中國的汽車電子產(chǎn)品市場發(fā)展的主要方向。
(本文轉(zhuǎn)自電子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0604/article_5512.html)