新型汽车电子系统元器件解决方案（全） - 全文

　　未来的汽车电子系统中，随着对安全、节能、环保、舒适和娱乐等需求的增加，相关元器件及其周边产品的出货也将持续快速增长。诸多汽车电子领域的设计挑战，需要从元器件层面就开始考虑解决方案。围绕这个话题，介绍新型传感器、保护器件、高压连接器在汽车动力控制、安全系统、通信娱乐、充放电系统等方面的应用。

　　汽车电子的技术升级速度和其他应用领域如工控、医疗相比是相当快的，这有多方面的原因。首先汽车电子和人们的日常生活紧密相关，尤其在欧美这些以车代步的国家，汽车作为必需品，几乎是大多数人日常出行的唯一选择。而正在崛起的新兴市场如中国、印度，汽车市场飞速增长，据最新报道，深圳的汽车保有量刚刚突破170万辆，成为汽车密度最高的内地城市。可以看出越来越多家庭有了购车的需求，从而推动了汽车电子技术的广泛应用和发展。

　　据isuppli的调查显示，2012年中国汽车电子销售额将从2009年的160亿美元增长到206亿美元。而2012年美国汽车电子市场将为205亿美元，届时第一的位置将让给中国。

　　汽车有多个子系统，构成非常复杂。每个子系统都离不开大量的汽车电子产品——当然，不同级别的汽车使用汽车电子的数量不尽相同。例如目前中国市场的主流汽车电子系统不太复杂，智能程度不高。这些系统主要专注于转向、驾驶辅助、乘员消极保护、刹车和控制系统以及舒适方便。

　　随着市场的升级，未来汽车电子的应用热点也将面临变化，能源系统、安全系统、避撞、线控驾驶、控制系统、智能传感器与激励器、集成汽车电气与电子系统和热舒适系统都将扮演着更重要的角色。

　　下面，我们就来分析这些新兴的需求为元器件市场带来了哪些机遇和挑战。

　　元器件在汽车安全系统中的作用

　　安全性是汽车系统设计要考虑的第一要素。新的行车安全离不开稳定的引擎管理系统，而传感器件作为汽车内使用量最大的器件之一，在安全系统中也被大量应用。

　　行车安全方面，及时检测引擎温度是非常重要的一环。在检测的同时，还必须确保可靠性和使用寿命。TDK最新的传感器重量仅为传统金属结构的50%，但在保障温度检测准确性的同时，防震性能和使用寿命也得到了大幅提升。传感器顶部的塑料外壳可保证极佳的热传导性，从而优化反应时间和精确度，有利于测量汽车油温和冷却液温度。另外反应快、适应范围广也是该产品特色。

　　汽车在起停等常规操作中，会受到电气干扰和高频影响，产生干扰。通过配线系统传导，最终耦合或以辐射方式干扰到车载电子设备。干扰源包括启动系统、交流电机、负载切换、开关抖动以及“抛负载”（即直流电机运行过程中切断电源，由此产生的电压）。

　　这些浪涌中最具破坏性的是“抛负载”，发生在引擎正在运转的过程中，在交流电机正在给电池充电时断开电池连接。产生的瞬态电压幅度取决于断开连接时交流电机的转速和场激励的大小。这一浪涌过程可能持续几百毫秒，产生100V以上的电压，对半导体电路具有潜在的致命影响。一旦电子电路受到破坏，就可能对安全造成极大隐患。

　　PPTC保护器件是一种可复位的聚合物正温度系数器件，一直以来应用于电源直流输出端的过载和短路保护。泰科电子瑞侃的PolySwitch产品能够为电源、RXE输入/输出接口提供保护，也能实现过热、电机失速等保护。

　　除了PPTC器件，MOSFET也能起到类似的保护。不过， MOSFET除了具有高频率性能、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良等优点之外，还能使功率组件更符合最低的系统成本，藉以达到更为优异的故障自我保护系统。因此，大部分的设计人员转而采用具有保护作用的MOSFET功率组件来完成。

　　车载娱乐系统中半导体元器件的应用

信息娱乐设备也容易因为过高的瞬变电压而损坏，其中包括它所在的工作环境及周边设备产生的静电放电（ESD）脉冲。往往使用ESD保护器件、金属氧化物变阻器（MOV）和齐纳二极管来保护汽车电子设备，例如天线、背光加热器、电池、按键、电路板上的印制线、CD/DVD播放器，数据线端口、硬盘驱动器以及输入/输出端口和触摸屏。

　　车内充电的便携设备对过流过压保护的需求很大，泰科电子的 PolyZen 器件能够满足保护需要。这种器件与类似于齐纳二极管的保护器件一起使用时，具有协同保护的作用，能够承受功率非常高的故障情况。

　　车内的高速输入/输出端口要求使用电容小的ESD保护器件，尽量保持信号质量不会下降。选用的器件应当适合高速数据传输线路和无线电频率数据线路，能够经受无数次的ESD瞬变电压。

　　PPTC电路保护器件在车载信息娱乐系统中一样得到了广泛的采用。它作为一种实用的、经济有效的解决办法，起到了过流和或过热保护的作用。在GPS、DVD或者收音机和汽车通讯信息系统（telematics）的电路板中，也常常用它来限制电流。

新能源汽车引领高压连接器潮流

　　快速发展的电动汽车及混合动力电动汽车市场将引发大批高压连接器应用，这些应用新颖、令人瞩目。不同汽车制造商正在尝试不同方法以实现低排量或零排量的目标，由此也将进一步提高对连接器供应商的要求。这些要求有一个共性，即在满足不同程度的安全及人身保护要求的同时，不断降低成本，减小重量和体积。同时，制造商不会放弃现代消费者所期望的高可靠性和耐用性。

　　连接器厂商中，FCI在电动汽车和混合动力汽车市场上有强大的竞争力。新推出的Power.S3系列是专为新一代充电电池驱动的插电式混合动力汽车和电动汽车设计的产品。

　　使用大容量锂电池是电动汽车和混合动力汽车设计多样化选择的一个共同点。锂电池工作电压的范围为400~600V。这至少是传统汽车标准14V铅酸电池的10倍以上，因此FCI连接器公司开发了应用专门的连接器和充电插头的全方位的解决方案。

　　这些新的连接器和充电插头需要解决许多重大的问题。其中，最首要的就是安全问题，因为新的连接器和充电插头工作电压的范围为400~600V，工作电流的 范围达到50~300A甚至更高。考虑到操作工在汽车的整个生命周期中会不可避免地接触发动机舱，高标准的防触电保护需求是显而易见的。此外，在如此高的功率下，电磁干扰是另一个重要问题。还有，在连接器插拔操作中会产生电弧，这会严重危害到电气连接和电子设备，并且可能引起汽车燃烧。

　　随着大容量锂电池的出现，在一些案例中引发了危险的失效模式。此外，如何降低电池的重量和成本仍是一项难题：一方面，增加电动汽车的续航里程和电池的容量意味着每个元件的重量都要减轻；另一方面，由于新一代电动汽车牢牢地定位于大众市场，经济性同样扮演着极为重要的角色。而仅电池成本就可能高达数千欧元， 因此，降低汽车内其他配置成本的压力就更大了。

　　为了迎接这这所有的挑战，FCI连接器公司的Power.S3系列的新型连接器和充电插头产品在高功率操作、成本竞争力、耐久性、紧凑性、人体工学和人员安全方面做了最优化的设计。，FCI连接器公司与REMA（REMA是一家制造电动叉车用插头和插座的专业生产厂家）携手合作，最先推出的合作成果是单相16/32A充电插头和插座，符合SAE J1772和IEC62192-1标准：“慢充”电动汽车/混合动力汽车应用方面的国际通用标准。这些产品用于在公共充电站或在家对汽车的锂电池充电，充电时间为4~8h。

　　汽车领域仍然具有开拓性，对于工程师来说，要保证系统完全无故障地工作并不容易。这种针对性能的vwin 和分析对于电动汽车和混合动力汽车的设计者来说是至关重要的。涉及这些新型汽车设计和制造的公司都处于快速上升的学习阶段，而对于产品在实际应用中的性能，还有许多东西有待我们学习。

　　车载网络系统电路保护方案

　　车载网络系统将扮演着越来越重要的角色。新型客车、卡车、公共汽车甚至摩托车都已成为移动的网络，将众多特征和功能连接在一起，如内置控制、移动媒体和无线网络。信息娱乐系统、远程信息处理、安全控制等的应用均需使用几种现有的网络标准，其中LIN、CAN、FlexRay就是最重要的三种标准。

　　LIN拓扑的电路保护措施

　　LIN总线拓扑通常用于连接开关、传感器和促动器至车载网络LIN总线标准要求当LIN总线路因正电压小于 26.5V或接地而出现短路时，网络应恢复正常工作。物理层上的ESD浪涌电阻根据IEC61000-4-2要求必须符合最低放电电压电平±2kV。然而，ECU连接器上可能会出现达到±8kV的电平。

　　下图为为协同的电路保护图，显示出一个设置在功率输入的可复位PolySwitch器件如何在电源输入端保护ECU和LIN节点连接器免受过电流情况的损伤，以及一个MLV（多层电压敏电阻器）如何为车载网络应用提供所需的高电流处理和能量吸收的过电压保护。

　　需要通过过电流保护对出现故障或过载现象时进行过电流限制。同时也需要通过电路保护设备限制电压尖峰或处于稳定的过电压状况。

　　CAN 拓扑的电路保护措施

　　CAN总线收发器可允许总线供电电压高达+/-80V直流电。然而，甩负荷浪涌会产生出比ISO-7637-2标准（最大86.5V）中规定的更高瞬态，可能会损伤收发器。收发器的操作电流也因供货商的不同而有所差异。

　　下图显示了如何在电源输入端应用可复位PolySwitch设备和MOV（金属氧化电压敏电阻器）从而避免因车载供电系统中心的浪涌电流和电压异常而产生的损伤。

　　FlexRay拓扑的电路保护措施

　　FlexRay协议专为线控应用所设计，如线控刹车和线控方向盘。该线控网络方式支持同步和异步数据传输，数据传输率约为10Mb/s，具有时间触发和事件触发行为、冗位和容错的特点。

　　该结构支持一“束”2个节点至64个节点，其功能主要依靠于两种类型的处理器—ECU和“活动星”。 FlexRay通讯通过一个常用总线或一个星形连接在ECU之间进行。FlexRay元件的总线输入必须避免在总线路和系统供电电压或地电位之间出现短路现象。

　　下图方案利用一个PolySwitch设备进行过电流保护。

　　车载照明电路保护方案

　　车载照明系统要求高达55A的峰值浪涌电流。控制车载照明的理想解决方案之一，就是将一个高压侧前置FET驱动器和功率FET组合。

　　一个前置 FET 驱动器被用来控制系统中的四种不同负载。这种组合能够通过温度系数较好地控制阻性负载。通常，负载被连接在低压侧，而功率 FET 则在高压侧完成配置，以为负载供电。每一条通道都可以由一个来自微控制器的并行输入信号或串行编程寄存器来控制。在一个并行结构中，一个通用 I/O 或基于定时器的输出被用来控制负载电流。

栅极驱动输出通常为一个恒定电流源，并且吸入输出端来控制 FET 栅极电容充电和放电特性。与输出串联的一个外部电阻器限制了 FET 开关转换的升降次数。这种效应使转换率得到了控制，同时还可有助于减少会增加电磁干扰（增加开关损耗和功耗）的开关极限期间出现的快速电流变化。这些输出在内部被控制在 17V 的最大输出电压以下，以保护外部 FET 栅极免于源击穿损坏。与一款集成的解决方案相比较，可以对前置 FET 驱动器和功率 FET 的组合进行配置，以防止应用中的动态和静态故障。

　　车载照明电路故障检测和控制方案

　　在所有的系统中故障检测都是至关重要的。能够独立地对 “开启”状态下有短路负载和过电流现象以及“关闭”状态下有开路负载的每一条通道进行故障检测，将使系统能够做出正确的反应。这种检测同时还可以将出现故障的通道隔离开，以避免影响其它正常通道，特别是在涉及热相互作用问题的时候。

　　当检测到一个过电流状态时，通过“关闭”器件或激活将以低占空比自动重试和 “开启”FET 的选项设置，就可以对 FET 进行保护。这样就允许系统不断地检查故障是否已经被排除，并且不会破坏 FET。

　　在“关闭”状态下监控开路负载故障为系统提供了负载完整性信息。当开关完全处于“关闭”状态下时，通过监控外部功率 FET 的电源电压，就可以实现对每一条通道开路负载故障的检测。

　　同样地，为了防止开关转换期间出现错误的故障报告，一种抗尖峰脉冲滤波器在电源转换期间被激活，以屏蔽故障。可以对该抗尖峰脉冲屏蔽时间进行编程来对所有转换率控制实施进行补偿。如果该开路负载发生在开关转换以后，那么在系统做出正确的动作以前故障的确定有效时间比故障掩模时间要长。正确的动作就是使该场效应晶体管保持在“关闭”状态下。

　　将一个高压侧前置FET驱动器和功率FET组合被广泛地用于负载控制，例如：车载电子的白炽灯泡、继电器螺线管和传输螺线管等，还可能被应用于那些要求通过串行总线通信或者并行输入控制来实现负载控制的工业和商业应用中。将每一个功率 FET 与热相互作用隔离的这种能力，在那些单通道短路或者热关闭故障不会中断其它负载控制通道功能的情况下是非常有好处的。

　　混合动力车（HEV）中的半导体器件解决方案

　　高电压带来的挑战是混合动力车必须解决的问题。几年前，汽车中的功率器件大多数都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽车的动力传动系统。现在的汽车，包括混合动力汽车，则采用20V到600V的功率器件。对于动力转向及制动这类应用，开发工程师正在寻找具有低导通阻抗的高性能低压沟道型MOSFET，以降低汽车的功耗。

　　轻度、全面及插电式HEV更是需要600V到1，200V之间的高电压电子系统，这使设计更具挑战性。除了需要高达600V到1，200V的高电压能力外，也需要驱动逆变器和DC/DC转换器中前所未见的电流密度的开关。功率IC要面对这样的高功率、高电压以及高能源，就要以坚固耐用、可靠性和安全作为主要的条件。IR 的Hauenstein博士曾表示，电机驱动IC的保护功能非常重要，在HEV牵引电机出现严重故障和短路时，免除了微型控制器的互动需要。因为这个问题在HEV逆变器中，开关高电流、高电压IGBT时十分常见。”

　　IR的HEV方案系列也包括了具备非常低EMI和优化了的开关性能的驱动器及开关。例如最新的DirectFET MOSFET产品便完全不用键合线，并且因为消除了大部分的寄生电感，以及具备最小的封装电阻，所以能够提供最佳的开关性能。除了领先行业的低导通电阻、卓越的开关性能和增强了的温度能效（例如双侧散热），这款十分先进的无键合线芯片尺寸封装让设计的体积显著减小，特别适用于高功率要求或者如HEVDC/DC转换器这些快速开关应用。

　　IGBT和功率MOSFET作为混合动力汽车的核心技术，吸引功率半导体厂商纷纷瞄准这个庞大的市场。ISuppli曾预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展，位居汽车电源管理器件之首，MOSFET市场增长居其次。虽然在未来几年中混合动力车辆还将只是占据车辆市场的一小部分，但混合动力对逆变器和DC/DC的集中需求将形成市场对IGBT和功率MOSFET的巨大需要。

　　中国主要的汽车电子市场及发展机遇

　　安全、节能、环保以及智能和信息化，是未来汽车的发展趋势。中国汽车市场使得汽车娱乐系统得以快速的发展，而这种发展是在现有市场规模下的呈指数生长状态的增长。有市场研究表明，中国的总体汽车产量非常庞大，而车载娱乐系统数量也同样可观，主要提供OEM支持服务。

　　汽车运用电脑作为平台以达到车载通信、导航、视听娱乐、网络控制、为区域市场趋势的一体化而设计的集成多媒体信息系统等功能。有调查分析表明，中国现在市场发展的前景存在于大的汽车电子市场。而汽车行驶安全性和小型汽车相关的娱乐导航信息系统控制、车身电子相关控制等，将成为中国的汽车电子产品市场发展的主要方向。