新一代汽车电子的两大设计趋势

    对经济的预期，使得消费者对汽车新功能的需求首先以安全为导向。能够保障司机、乘客和行人安全，有效降低事故发生的高级安全系统，比如无需增加太多成本的先进驾驶辅助系统，将是一个快速增长汽车电子领域，并对汽车的差异化设计产生重要影响。除了安全气囊等被动安全系统外，未来越来越多的汽车还将采用基于视觉的主动安全系统，包括后视系统、车道偏离告警系统、司机注意力告警系统、前灯控制系统、防碰撞系统以及能够在各种照明条件下检测并分辨物体的自动巡航控制系统等。
    为降低能耗和减少温室气体的排放，对汽车的绿色环保设计要求日益迫切。除了利用许多传统技术使汽车更加符合环保要求外，各种汽车能源的替代形式，无论是替代燃料(如甲醇、乙醇等)汽车，还是混合动力(油电组合)汽车(HEV)或纯电动汽车(EV)，都已成为汽车厂家的最优先考虑设计项目。
    本文重点关注汽车安全和绿色环保设计趋势，讨论实现这些功能的关键设计挑战，并分享领先汽车半导体厂商的独特观点及最新解决方案。
    可视安全监控系统
    具有高动态范围的图像传感器，再加上功能强大的处理器、DSP、FPGA、图像传感器和复杂算法，正在开创汽车视觉系统的新时代车。比如，后视摄像系统上的警告符号通过变化大小和颜色来提醒司机注意检测最近物体。注意力告警系统可以使用装在司机门上和中央控制台上的红外摄像机来记录和分析司机的眼睛运动，并在司机的眼睛合上的时间超过正常眨眼的时间时发出听得见、看得到的告警。车道偏离告警系统使用摄像机来监视道路标志线之间的车辆位置。
    对汽车安全应用中的图像传感器而言，其新兴开发领域正是这些基于视觉的系统。“但是，面向这些应用的图像传感器面临一些关键挑战，包括低光照条件下(小于1 lux)的低光敏感度(或响应度)、极小的封装尺寸以及色彩的宽动态范围。”OmniVision公司的高级产品市场经理Inayat Khajasha表示。
    OmniVision是为基于视觉的汽车系统提供图像传感器的领先供应商，提供广泛的汽车传感器产品系列，包括CCD图像传感器或CMOS图像传感器。该公司的OV7960可解决以上挑战，该产品的低光敏感度大于12V/lux-sec，采用最小的 AutoVision CSP(aCSPTM) 封装，体积比竞争的 CMOS 器件小 50%。此外，OmniVision公司是目前唯一能为新兴应用，比如360度全景应用提供100万像素传感器(OV9715)的公司。这种传感器能实现180度失真校正的图像，而不损失任何图像质量。
    在这些主动安全系统中，除了摄像头外，还有一个主要的元件就是高速雷达。飞思卡尔半导体汽车电子工程经理康晓敦介绍道：“随着图像传感器技术，比如CCD技术的提高，可视系统在硬件方面已没有太多难度，主要是软件策略及算法方面还存在一些挑战。高速雷达就不同了，由于主动安全系统要求很高的速度(现在的标准是77GHz)，所以需要用先进的半导体技术来设计新的器件来满足要求。”
    飞思卡尔正在采用硅锗(SiGe)技术来设计77GHz毫米波雷达的射频(RF)芯片，主要面向车间距控制系统及预防碰撞安全系统等的车间距检测用途。与使用砷化镓(GaAs)技术的毫米波雷达射频芯片相比，这种芯片的成本预计要低50%。
    汽车视觉系统需要采用数字信号处理单元将实时图像做畸变矫正处理。虽然是图像处理算法，但实时图像的高码率、各种镜头的曲率、不同的畸变情况都对算法和DSP的性能有较高要求。
    “汽车设计的要求是高性能、低功耗、有竞争力的成本和高度互联的器件。我们专门针对汽车市场推出了多个SHARC和Blackfin处理器产品。在这些系列中拥有多个引脚兼容器件，因此客户能够将一种设计拓展成几个实现方案。”ADI技术市场经理詹柯表示。
    Blackfin架构的目标应用是基于视觉的ADAS，SHARC架构的目标应用是基于雷达的领域。此外， ADI公司提供汽车安全系统中所用的运动感应微机电系统(MEMS)惯性加速度计和陀螺仪。在今年早些时候，ADI还与英飞凌公司合作研发下一代汽车安全气囊系统。
    此外，在设计驾驶辅助系统应用时，除了要考虑采用高集成度和低功耗的元器件时，还应当同时注重可靠性。“因为这类系统所做出的操作决定，关乎车内外人员的人身安全，所以随着汽车中使用的电子装置越来越多，厂商必须仔细挑选有助于开发出可靠解决方案的元器件。”Actel公司军用和航天产品市场总监Ken O’Neil表示。
    针对可靠性的关注，Actel提供ProASIC3可重编程FPGA系列。ProASIC3采用0.13?m节点工艺，是可达到135°C结温的FPGA器件。随着工艺尺度缩小，半导体芯片中的晶体管数目越来越多，阈值下的漏电流也越来越突出，因而热耗散也越来越大，而ProASIC3 FPGA则不存在这类问题，因而可用于极为关键的应用中，如温度和或可靠性考量均极为重要的各种引擎罩下应用。
    另一个汽车安全应用是防盗装置。防盗装置也将引入视觉系统，这也是面向汽车安全应用的图像传感器的另一个新开发领域。Inayat Khajasha对此场景进行了简单描述：如果一个未经授权的人试图开车，防盗装置将采集图像甚至是视频，并将这些信息发送给中心监控站。此外，如果有人破车而入，防盗装置还将提醒车主。
    不过，被动无钥门禁(PKE)/ 遥控无钥门禁(RKE)加发动机防盗锁止系统(Immobilizer)和发动机控制单元通讯来实现防盗控制仍然是主流设计。更高级的设计则采用增加gps和无线通讯(如3G)信号来实现车辆被盗后的报警及被盗车辆的跟踪等。康晓敦表示：“所有这些设计均需要有很好的RF设计及无线通讯设计，这应该是此类应用设计中的挑战之一。”
    恩智浦半导体(下文简称NXP)汽车电子事业部的大中华区销售经理、汽车安全与舒适市场经理张建臣认为，防盗设计的另一个趋势是将汽车引擎防盗系统和遥控钥匙功能升级到PKE(无钥匙系统), 从而给驾乘者带来更加方便和舒适的体验；或者用将引擎防盗与遥控钥匙功能集成在一起的方案来替代分立方案以节省成本和钥匙的体积。
    NXP推出了未来钥匙的概念, 钥匙可以和手机或PDA进行无限连接, 使得更多应用成为可能，包括汽车状况的监测、寻车定位功能(包括被盗车辆的跟踪)、旅游规划等。此外，NXP提供新的HITAG3 以及aes128等新的安全算法, 使得汽车进入(钥匙及引擎防盗) 功能更加安全可靠。
    混合动力减能耗
    长期来看，汽车设计的一个关键趋势是减少能源消耗和气体排放。从节能的角度来说，现在已有不同“绿色汽车”设计，其中一些设计能让消费者以更少的预算满足他们的需要。比如，启动/停止(Start-stop)功能便是一个价钱合理的节能功能。这种功能使内燃机在汽车遇上红灯或者堵车时便会自动暂停运作。整个启动/停止功能涉及的额外成本仅为300元美金，但能节省3%到10%的燃料，效果十分显著。如果汽车在交通非常拥挤的城市中行驶，甚至可以节省高达25%的燃料。
    另一种情况是，汽车越轻，需要的燃料越少。如今一辆典型的汽车拥有多达100个电子控制模块(如ABS、ESP、自动车窗、为儿童准备的后座娱乐系统等等)，所有模块都通过铜线实现相互间的通信。如果采用FlexRay以及类似技术通过单个总线系统来运行，完全摒弃铜线，则能使车体重量大幅减轻。NXP的车载网络总线产品(包括CAN/LIN总线收发器)具有更低的功耗、更好的EMC和ESD性能，是满足这类应用需求的理想方案。
    采用替代燃料的汽车和EV/HEV是汽车绿色设计的一个重要部分。与传统汽车相比，HEV的汽车动力传动系统需要更多的电气管理系统，带来了电源管理的新挑战。
    “对于EV/HEV，其面临的主要设计挑战是保持电池能量密度 (每公斤封装电池质量的kW-hr容量)；然后就是如何设计高效的逆变器，如何设计高效的DC/DC转换器以便为12V负载供电，以及如何以廉价方式制造以上器件，而且实现最小的重量和尺寸。” 飞兆半导体的汽车市场高级经理Roy Davis表示。
    飞兆半导体的车身电子／智能开关业务部总监Gary Wagner进一步解释道：“具体而言，功率技术方面存在的挑战包括：降低封装硅器件 (或其它半导体) 的成本；减少封装功率级的占位面积；减少开关器件的损耗；提高散热性能并同时提高硅器件 (或其它半导体) 和封装的工作温度，以及使用更新的开关技术和功率电路拓扑。”
    解决这些设计难题需要轻量封装材料、创新的紧凑型散热方案、高效功率开关器件和控制技术，以及改进磁性材料在电感和变压器中的使用，使得这些器件更小、也更轻。飞兆半导体的模块和FANxxxx系列器件，以及能够转换至汽车应用而有助于降低能耗的任何PWM控制器都被用来解决这些挑战。
    HEV设计的另一个关键问题是高电压。“由于轻度、全面及插电式HEV需要600V到1,200V之间的高电压电子系统，这令设计更具挑战性。必须根据汽车的种类、大小和用途，在10kW到超过100kW的范围去驱动引擎。HEV的高电压架构还要部署额外的周边系统以及能源和电池管理单元。” 国际整流器公司(下文简称IR) 汽车产品副总裁及总经理Henning M. Hauenstein博士表示。
    除此之外，还须要把电动动力系统和其他新式电子系统集成到新的HEV汽车架构内，新式电子系统包括能实现12V和高电压电源网之间能源传送的DC/DC转换器，以及空调、动力转向系统等众多电子驱动系统。Hauenstein博士指出：“这是一个很大的挑战，因为以前汽车电子系统都习惯在12V电池环境下工作，但现在要面对高电压电子带来的对设备和生命安全的威胁，必须要把这些危险的电子系统安全地隔离。”
    IR能为一部现代化HEV中的几乎所有功率管理应用提供全面芯片组解决方案，包括高电压驱动器IC、智能功率IC、智能开关、MOSFET以及适用于低、中和高达1,200V的高电压IGBT开关。该公司最近推出了无键合线汽车用DirectFET产品线。这种革命性的MOSFET封装新概念，不但为DC/DC转换器和电池管理系统的设计带来非常低的RDS(ON)，还同时免除了键合线，使快速开关状况下的寄生电感基本上为零。
    由此可见，虽然当前HEV面临的主要设计挑战还在于电池本身的技术，包括目前最新款锂离子电在内的电池，都存在技术限制和缺点，但领先汽车半导体厂商推出的最新电池管理和功率解决方案，正促进电池不断完善，以延长电池的寿命并降低成本、体积和重量。