如今的汽車市場正受到經濟危機的沖擊，與此同時，提高安全性能和綠色環(huán)保這兩大趨勢也驅動著新一代汽車的發(fā)展，并指引著汽車廠商生產出與消費者的意向最相符、具有差異化特性的下一代汽車。
對經濟的預期，使得消費者對汽車新功能的需求首先以安全為導向。能夠保障司機、乘客和行人安全，有效降低事故發(fā)生的高級安全系統(tǒng)，比如無需增加太多成本的先進駕駛輔助系統(tǒng)，將是一個快速增長汽車電子領域，并對汽車的差異化設計產生重要影響。除了安全氣囊等被動安全系統(tǒng)外，未來越來越多的汽車還將采用基于視覺的主動安全系統(tǒng)，包括后視系統(tǒng)、車道偏離告警系統(tǒng)、司機注意力告警系統(tǒng)、前燈控制系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)以及能夠在各種照明條件下檢測并分辨物體的自動巡航控制系統(tǒng)等。
為降低能耗和減少溫室氣體的排放，對汽車的綠色環(huán)保設計要求日益迫切。除了利用許多傳統(tǒng)技術使汽車更加符合環(huán)保要求外，各種汽車能源的替代形式，無論是替代燃料(如甲醇、乙醇等)汽車，還是混合動力(油電組合)汽車(HEV)或純電動汽車(EV)，都已成為汽車廠家的最優(yōu)先考慮設計項目。
本文重點關注汽車安全和綠色環(huán)保設計趨勢，討論實現(xiàn)這些功能的關鍵設計挑戰(zhàn)，并分享領先汽車半導體廠商的獨特觀點及最新解決方案。
可視安全監(jiān)控系統(tǒng)
具有高動態(tài)范圍的圖像傳感器，再加上功能強大的處理器、DSP、FPGA、圖像傳感器和復雜算法，正在開創(chuàng)汽車視覺系統(tǒng)的新時代車。比如，后視攝像系統(tǒng)上的警告符號通過變化大小和顏色來提醒司機注意檢測最近物體。注意力告警系統(tǒng)可以使用裝在司機門上和中央控制臺上的紅外攝像機來記錄和分析司機的眼睛運動，并在司機的眼睛合上的時間超過正常眨眼的時間時發(fā)出聽得見、看得到的告警。車道偏離告警系統(tǒng)使用攝像機來監(jiān)視道路標志線之間的車輛位置。
對汽車安全應用中的圖像傳感器而言，其新興開發(fā)領域正是這些基于視覺的系統(tǒng)。“但是，面向這些應用的圖像傳感器面臨一些關鍵挑戰(zhàn)，包括低光照條件下(小于1 lux)的低光敏感度(或響應度)、極小的封裝尺寸以及色彩的寬動態(tài)范圍。”OmniVision公司的高級產品市場經理Inayat Khajasha表示。
OmniVision是為基于視覺的汽車系統(tǒng)提供圖像傳感器的領先供應商，提供廣泛的汽車傳感器產品系列，包括CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器。該公司的OV7960可解決以上挑戰(zhàn)，該產品的低光敏感度大于12V/lux-sec，采用最小的 AutoVision CSP(aCSPTM) 封裝，體積比競爭的 CMOS 器件小 50%。此外，OmniVision公司是目前唯一能為新興應用，比如360度全景應用提供100萬像素傳感器(OV9715)的公司。這種傳感器能實現(xiàn)180度失真校正的圖像，而不損失任何圖像質量。
在這些主動安全系統(tǒng)中，除了攝像頭外，還有一個主要的元件就是高速雷達。飛思卡爾半導體汽車電子工程經理康曉敦介紹道：“隨著圖像傳感器技術，比如CCD技術的提高，可視系統(tǒng)在硬件方面已沒有太多難度，主要是軟件策略及算法方面還存在一些挑戰(zhàn)。高速雷達就不同了，由于主動安全系統(tǒng)要求很高的速度(現(xiàn)在的標準是77GHz)，所以需要用先進的半導體技術來設計新的器件來滿足要求。”
飛思卡爾正在采用硅鍺(SiGe)技術來設計77GHz毫米波雷達的射頻(RF)芯片，主要面向車間距控制系統(tǒng)及預防碰撞安全系統(tǒng)等的車間距檢測用途。與使用砷化鎵(GaAs)技術的毫米波雷達射頻芯片相比，這種芯片的成本預計要低50%。
汽車視覺系統(tǒng)需要采用數(shù)字信號處理單元將實時圖像做畸變矯正處理。雖然是圖像處理算法，但實時圖像的高碼率、各種鏡頭的曲率、不同的畸變情況都對算法和DSP的性能有較高要求。
“汽車設計的要求是高性能、低功耗、有競爭力的成本和高度互聯(lián)的器件。我們專門針對汽車市場推出了多個SHARC和Blackfin處理器產品。在這些系列中擁有多個引腳兼容器件，因此客戶能夠將一種設計拓展成幾個實現(xiàn)方案。”ADI技術市場經理詹柯表示。
Blackfin架構的目標應用是基于視覺的ADAS，SHARC架構的目標應用是基于雷達的領域。此外， ADI公司提供汽車安全系統(tǒng)中所用的運動感應微機電系統(tǒng)(MEMS)慣性加速度計和陀螺儀。在今年早些時候，ADI還與英飛凌公司合作研發(fā)下一代汽車安全氣囊系統(tǒng)。
此外，在設計駕駛輔助系統(tǒng)應用時，除了要考慮采用高集成度和低功耗的元器件時，還應當同時注重可靠性。“因為這類系統(tǒng)所做出的操作決定，關乎車內外人員的人身安全，所以隨著汽車中使用的電子裝置越來越多，廠商必須仔細挑選有助于開發(fā)出可靠解決方案的元器件。”Actel公司軍用和航天產品市場總監(jiān)Ken O’Neil表示。
針對可靠性的關注，Actel提供ProASIC3可重編程FPGA系列。ProASIC3采用0.13?m節(jié)點工藝，是可達到135°C結溫的FPGA器件。隨著工藝尺度縮小，半導體芯片中的晶體管數(shù)目越來越多，閾值下的漏電流也越來越突出，因而熱耗散也越來越大，而ProASIC3 FPGA則不存在這類問題，因而可用于極為關鍵的應用中，如溫度和或可靠性考量均極為重要的各種引擎罩下應用。
另一個汽車安全應用是防盜裝置。防盜裝置也將引入視覺系統(tǒng)，這也是面向汽車安全應用的圖像傳感器的另一個新開發(fā)領域。Inayat Khajasha對此場景進行了簡單描述：如果一個未經授權的人試圖開車，防盜裝置將采集圖像甚至是視頻，并將這些信息發(fā)送給中心監(jiān)控站。此外，如果有人破車而入，防盜裝置還將提醒車主。
不過，被動無鑰門禁(PKE)/ 遙控無鑰門禁(RKE)加發(fā)動機防盜鎖止系統(tǒng)(Immobilizer)和發(fā)動機控制單元通訊來實現(xiàn)防盜控制仍然是主流設計。更高級的設計則采用增加gps和無線通訊(如3G)信號來實現(xiàn)車輛被盜后的報警及被盜車輛的跟蹤等。康曉敦表示：“所有這些設計均需要有很好的RF設計及無線通訊設計，這應該是此類應用設計中的挑戰(zhàn)之一。”
恩智浦半導體(下文簡稱NXP)汽車電子事業(yè)部的大中華區(qū)銷售經理、汽車安全與舒適市場經理張建臣認為，防盜設計的另一個趨勢是將汽車引擎防盜系統(tǒng)和遙控鑰匙功能升級到PKE(無鑰匙系統(tǒng)), 從而給駕乘者帶來更加方便和舒適的體驗；或者用將引擎防盜與遙控鑰匙功能集成在一起的方案來替代分立方案以節(jié)省成本和鑰匙的體積。
NXP推出了未來鑰匙的概念, 鑰匙可以和手機或PDA進行無限連接, 使得更多應用成為可能，包括汽車狀況的監(jiān)測、尋車定位功能(包括被盜車輛的跟蹤)、旅游規(guī)劃等。此外，NXP提供新的HITAG3 以及aes128等新的安全算法, 使得汽車進入(鑰匙及引擎防盜) 功能更加安全可靠。
混合動力減能耗
長期來看，汽車設計的一個關鍵趨勢是減少能源消耗和氣體排放。從節(jié)能的角度來說，現(xiàn)在已有不同“綠色汽車”設計，其中一些設計能讓消費者以更少的預算滿足他們的需要。比如，啟動/停止(Start-stop)功能便是一個價錢合理的節(jié)能功能。這種功能使內燃機在汽車遇上紅燈或者堵車時便會自動暫停運作。整個啟動/停止功能涉及的額外成本僅為300元美金，但能節(jié)省3%到10%的燃料，效果十分顯著。如果汽車在交通非常擁擠的城市中行駛，甚至可以節(jié)省高達25%的燃料。
另一種情況是，汽車越輕，需要的燃料越少。如今一輛典型的汽車擁有多達100個電子控制模塊(如ABS、ESP、自動車窗、為兒童準備的后座娛樂系統(tǒng)等等)，所有模塊都通過銅線實現(xiàn)相互間的通信。如果采用FlexRay以及類似技術通過單個總線系統(tǒng)來運行，完全摒棄銅線，則能使車體重量大幅減輕。NXP的車載網絡總線產品(包括CAN/LIN總線收發(fā)器)具有更低的功耗、更好的EMC和ESD性能，是滿足這類應用需求的理想方案。
采用替代燃料的汽車和EV/HEV是汽車綠色設計的一個重要部分。與傳統(tǒng)汽車相比，HEV的汽車動力傳動系統(tǒng)需要更多的電氣管理系統(tǒng)，帶來了電源管理的新挑戰(zhàn)。
“對于EV/HEV，其面臨的主要設計挑戰(zhàn)是保持電池能量密度 (每公斤封裝電池質量的kW-hr容量)；然后就是如何設計高效的逆變器，如何設計高效的DC/DC轉換器以便為12V負載供電，以及如何以廉價方式制造以上器件，而且實現(xiàn)最小的重量和尺寸。” 飛兆半導體的汽車市場高級經理Roy Davis表示。
飛兆半導體的車身電子／智能開關業(yè)務部總監(jiān)Gary Wagner進一步解釋道：“具體而言，功率技術方面存在的挑戰(zhàn)包括：降低封裝硅器件 (或其它半導體) 的成本；減少封裝功率級的占位面積；減少開關器件的損耗；提高散熱性能并同時提高硅器件 (或其它半導體) 和封裝的工作溫度，以及使用更新的開關技術和功率電路拓撲。”
解決這些設計難題需要輕量封裝材料、創(chuàng)新的緊湊型散熱方案、高效功率開關器件和控制技術，以及改進磁性材料在電感和變壓器中的使用，使得這些器件更小、也更輕。飛兆半導體的模塊和FANxxxx系列器件，以及能夠轉換至汽車應用而有助于降低能耗的任何PWM控制器都被用來解決這些挑戰(zhàn)。
HEV設計的另一個關鍵問題是高電壓。“由于輕度、全面及插電式HEV需要600V到1,200V之間的高電壓電子系統(tǒng)，這令設計更具挑戰(zhàn)性。必須根據汽車的種類、大小和用途，在10kW到超過100kW的范圍去驅動引擎。HEV的高電壓架構還要部署額外的周邊系統(tǒng)以及能源和電池管理單元。” 國際整流器公司(下文簡稱IR) 汽車產品副總裁及總經理Henning M. Hauenstein博士表示。
除此之外，還須要把電動動力系統(tǒng)和其他新式電子系統(tǒng)集成到新的HEV汽車架構內，新式電子系統(tǒng)包括能實現(xiàn)12V和高電壓電源網之間能源傳送的DC/DC轉換器，以及空調、動力轉向系統(tǒng)等眾多電子驅動系統(tǒng)。Hauenstein博士指出：“這是一個很大的挑戰(zhàn)，因為以前汽車電子系統(tǒng)都習慣在12V電池環(huán)境下工作，但現(xiàn)在要面對高電壓電子帶來的對設備和生命安全的威脅，必須要把這些危險的電子系統(tǒng)安全地隔離。”
IR能為一部現(xiàn)代化HEV中的幾乎所有功率管理應用提供全面芯片組解決方案，包括高電壓驅動器IC、智能功率IC、智能開關、MOSFET以及適用于低、中和高達1,200V的高電壓IGBT開關。該公司最近推出了無鍵合線汽車用DirectFET產品線。這種革命性的MOSFET封裝新概念，不但為DC/DC轉換器和電池管理系統(tǒng)的設計帶來非常低的RDS(ON)，還同時免除了鍵合線，使快速開關狀況下的寄生電感基本上為零。
由此可見，雖然當前HEV面臨的主要設計挑戰(zhàn)還在于電池本身的技術，包括目前最新款鋰離子電在內的電池，都存在技術限制和缺點，但領先汽車半導體廠商推出的最新電池管理和功率解決方案，正促進電池不斷完善，以延長電池的壽命并降低成本、體積和重量。
