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TI 支招互联汽车硬件设计四要点!

2019-01-04
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说出来可能让您很惊讶,近二十年来科技的迅速发展已经为互联汽车的应用扫清了道路。按照高科技标准衡量,eCall已经是落伍技术,但就在2018年的三月份,欧盟强制要求在所有出厂新车里安装eCall。这部法律仅是技术与立法互相牵扯的一个例子——两者之间的千丝万缕的关系可能决定着我们能够在多长时间内拥有完全互联的汽车。


从其最基础的定义来看,eCall仅仅是汽车内的基础性蜂窝电话,它能在紧急情况下自动拨打求助电话;是自1990年代起就上市的技术。展望未来,消费者需要更高程度上的集成,这也成为引入车联网控制单元(TCU)的契机。


TCU可为互联汽车提供所有eCall功能以及包括发送和接收数据在内的其他功能,例如位置、无线更新或电话等。如果没有TCU,则eCall只具有拨打电话的功能。图 1 概括介绍了具有拨打紧急求助电话功能的TCU。


      图 1:当代TCU内集成的拨打紧急求助电话功能


具备集成eCall系统的典型TCU的要求

设计TCU具有很多硬件变数,这是因为原始设备制造商(OEM)和一级供应商具有自己的设计规格,它们的设计把TCU置于了汽车的不同位置。


欧盟强制规定新车中的eCall系统必须能够:

在汽车碰撞过程中和之后,在没有汽车电池可用的情况下,自动工作。

耐受极端温度,甚至是-20°C或-40°C的低温。

具有10年使用寿命的电池,一个电话可持续通话8到10分钟。

提供紧急服务,可通过蜂窝网络回叫60分钟。

遵守国际标准化组织(ISO) 26262汽车安全完整性等级(ASIL) A级标准。


从备用电池入手

设计TCU时,备用电池是很好的着手点。根据欧盟要求,备用电池必须支持汽车任何位置上6W到20W的音响电源,并且支持全球移动通信系统(GSM)模块产生的约2A(标称电流为350mA)的峰值电流。


选择何种备用电池,便定义了系统的其余部分,这取决于电池的化学原理(常用类型包括锂离子、磷酸锂离子和镍氢电池)、电池单元数和电流功能。把电池放置在供电路径中的何处,也定义了您使用哪种充电器或低压差稳压器,以及是否需要升压调节器。


图 2 和 3 展示了基于两种供电方案的两种不同供电路径。每种路径都基于备用电池选择和电池充电器功能,采用相同数量的组件和不同配置实现了相同的任务。


第1种供电路径是低成本的简单设计,但是您必须在使用多个升压调节器和尺寸与冗余性之间进行折衷。第2种供电路径使用锂离子电池,需要更多保护,但电池单元数量较少。它们都是可行的选项,成本、尺寸和可靠性都在您的选择中发挥着作用。


图 2:第1种TCU供电路径


图 3:第2种TCU供电路径


选择电源调节器

一旦您考虑使用备用电池,另一个需要您考虑的设计注意事项就是电源调节器。就汽车应用来说,越野车的电池电源必须耐受苛刻的温度范围、宽输入电压和降低电磁干扰(EMI)。车联网系统可能位于汽车中承受高温的位置(挡风玻璃、客厢、后备箱和引擎),比如要求集成电路(IC)耐受高达150°C的接点温度,因此汽车需要具有优异的热性能和效率。


基于OEM负载突降、极性反转和冷起动条件变化而变的输入电压,通常初始大小为4.5V,峰值电压可达42V。开关调节器不会干扰车载无线电的AM和FM频段,因此开关频率必须在2.1MHz(高于AM频段,且低于FM频段)左右或约为400kHz(低于AM频段)。选择具有合适开关频率的开关调节器、抖动/扩频及优化布局,都是确保优良EMI性能的要素。


丰富音响设计

音响功率有非常大的变化范围。有些设计师可能选择4-6W的低功率系统,而另一些系统的功率可能高达20W。除普通的汽车短路保护、负载突降、温度保护/监控与可变功耗外,音箱诊断和保护是音响的关键功能,例如开路和短路输出负载、输出/功率转换和接地短路等。


考虑数据传输率

伴随车联网系统数据、调制解调器和内部存储集成度的增加,连接头部单元或中央网关的数据传输率也在提高。只有控制器区域网络、本地互联网络或甚至USB的日子一去不返,10/100Mbps和1GMbps已经取代了它们。


预测车联网的未来

多种错综的力量左右着车联网的发展趋势,包括上面讲到过的立法因素、基础设施要求、用户体验、驾驶员的期望,或车联网目前仍然是个碎片化市场的事实。值得一提的是小型售后车联网产品的进步,例如车载诊断电子狗,还出现了更先进的系统,如全景物联网系统(V2X)模块,此模块可以建立本车、其他汽车和驾驶环境之间的通信。这些设备可能具有与当今TCU类似的调制解调器、处理能力和数据通信功能。


据我观察,实际情况是:互联汽车的未来将取决于车联网的创新,和汽车设计工程师能够在多大程度上解决设计挑战并与趋势同步。


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