汽車電子的中心議題：
- 元器件在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用
- 新興需求為元器件市場帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
汽車電子的解決方案：
- 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保護(hù)方案
- 車載照明檢測與保護(hù)方案
- 混合動(dòng)力車(HEV)中的半導(dǎo)體器件解決方案
新型汽車電子系統(tǒng)元器件解決方案（上）
本專題的上半部分介紹了在安全系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)中電子元器件發(fā)揮的作用，同時(shí)介紹了新能源汽車對汽車電子元器件提出的新要求。汽車電子系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此在下半部分中，我們將繼續(xù)探討新型電子元器件在新型汽車電子系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，如保護(hù)器件在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保護(hù)方案、車載照明檢測與保護(hù)方案以及混合動(dòng)力車(HEV)中的半導(dǎo)體器件解決方案等。
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)。
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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 “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 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。可以對該抗尖峰脈沖屏蔽時(shí)間進(jìn)行編程來對所有轉(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)力對逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對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。
