汽车电子技术创新加快汽车变革步伐

2011-04-05 09:32:33来源: 电子系统设计

  汽车电子产品可以改善控制、安全性、燃油经济性和舒适性,同时提供类似家用的娱乐和连接体验。目前的汽车电子支撑技术承诺会在未来提升所有这些领域的功能。

  本文讨论的产品和技术将改变汽车电子设计和汽车环境。这些创新技术包括具有双面冷却的电源封装、具有高带宽数字内容保护功能的串行器/串并转换器(SERDES)芯片组、用于停止/启动和混合动力汽车的音频放大器,可提升安全性和系统性能的传感器技术以及用于改善汽车连接体验的无线技术。

功率MOSFET封装

  一些新型汽车应用需要更高的功率级别,比如电动助力转向(EPS)、电源、混合动力汽车的电池开关以及微型混合动力汽车上的集成式启动器交流发动机(ISA)等。

  国际整流器公司(International Rectifier)的汽车DirectFET2功率MOSFET可提供更高的功率密度、双面冷却以及用于重型汽车荷载的极低寄生电感和电阻。其封装设计采用铸造铜夹将MOSFET的漏级与PCB相连,可提供改进的电气连接和顶部冷却途径(图1)。


图1:IR的DirectFET2封装对于三种封装大小采用经过改进的相同内部结构。

  汽车级封装版本(AEC-Q100标准)于2010年年初发布,该封装已经在大功率计算应用中使用多年。通过全面的汽车测试需对设计进行修改,同时IR还增大了封装尺寸。

  汽车级DirectFET2功率MOSFET的额定值均在175°C的最高结温下提供。这些MOSFET的湿敏等级为1级(MSL1)。IR最近增加三个汽车系列的新成员。

  AUIRF7738L2和AUIRF7737L2的最大电阻分别为1.6 mΩ和1.9mΩ,源漏电压为40 V,与业界标准D2Pak封装相比,其封装尺寸更大,电路板空间小60%。AUIRF7736M2的最大电阻为3.0mΩ,源漏电压也为40V,它采用较小的中型DirectFET2封装,电路板空间与5mm×6mm方形扁平无引脚封装(PQFN)或SO-8封装相同。

具有HDCP功能的SerDes芯片组

  美国国家半导体公司(National Semiconductor)的FPD-Link III SERDES芯片组在2010年最初推出时满足了汽车信息娱乐和驾驶辅助系统的需求。例如,它可以用于将来自车载摄像头的高速视频数据传送到数字显示屏中。

  最近推出的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q串并转换器是业界首个用于汽车信息娱乐系统的具有高带宽数字内容保护(HDCP)的SERDES芯片组。由于该芯片组支持满足数字内容保护(DCP)LLC的规范的受保护视频和音频内容的车内分发,因此它支持在车内播放分辨率高达720p的蓝光电影。华纳兄弟娱乐公司、迪斯尼公司和索尼影视娱乐等主要内容提供商均认可HDCP功能。

  在汽车中提供高品质观看体验是汽车制造商致力于在移动环境中提供家用级体验的工作的目标之一。此外,最新的FPD-Link III SERDES芯片组(图2)支持音视频数据与单差分对的双向控制的合并。这样就压缩了互连尺寸、重量和成本,进一步简化了汽车系统的系统设计工作。


图2:NSC的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q解串器在一条双绞线电缆上实现高带宽数据和控制。

  保存在SERDES芯片组中的独特HDCP密钥可防止视频内容在未经授权的情况下使用。此外,此芯片组还可对内容数据加密。它根据HDCP规范进行所需的认证交换。

音频放大器

  意法半导体(ST)的TDA7850LV音频功率放大器可解决节能型发动机启停功能带来的问题。这种特性与高效率引擎管理程序等其它技术相结合,有望将某种模式下的油耗降低20%。根据Strategy Analytics公司的数据,截至2015年启停系统的年需求量有望达到2千万部。

  由于电池是电力的唯一来源,因此微型混合动力汽车和混合动力电动汽车中的启停系统可在发动机关闭和重新启动时使车载电子设备的供电电压下降至6V。

  此外,电池电源和交流发电机电源之间的切换会产生“咔嗒”的噪声。在这两种情形下,车内音频的品质都会降低。

  TDA7850LV是意法半导体新型器件系列(图3)的首个成员,该器件专为解决这些新兴的电力辅助汽车中的这些问题而设计。4x50W MOSFET输出级具有2Ω输出驱动器,可与诸多扬声器类型兼容。

图3:ST针对启停功能的音频功率放大器提供了三种不同的外形尺寸。

  此外,该器件还集成了调节供电电压和抑制“咔嗒”噪声的电路。由于不需要增加外部元器件来获取这些功能,因此简化了系统设计工程师的设计工作,降低了成本,同时节省了PCB空间。

  随着汽车变革步伐的加快,能够解决其它汽车系统中的变革引起的问题的及时创新IC将变得越来越普遍。

提升安全性和系统性能的传感器技术

  从多轴微机电系统(MEMS)到视频和雷达传感器,从舶来品到成熟的技术,传感器开创了控制系统的历程。传感器和基于传感器的系统的供应商正在开发的最新技术进步包括高级封装、传感器接口以及整合的传感器和先进系统概念,以实现更高的控制并降低安全系统的成本。

  系统要求规定了传感器或用于系统中的传感器的规格,并最终确定哪一种传感器技术满足这些要求。电动助力转向(EPS)就是一个很好的例子。EPS是汽车制造商使用的节能措施之一。

  EPS正凭借能将油耗降低4%的能力而逐渐普及。根据底特律新闻报中一篇文章,福特汽车公司表示,截至2012年该公司90%的汽车都将拥有EPS。美国密歇根州萨吉诺的一家公司Nexteer Automotive的全尺寸皮卡有望在未来三年内开始使用电动助力转向。

  EPS也是自动停车辅助、自适应巡航控制(ACC)等其它高级功能、混合动力汽车和带起停式系统的汽车的基本功能。此外,EPS还可能是未来防撞系统的一部分。

  在EPS系统中,传感器指示驾驶员的转向要求,因此微控制器可以开动驾驶杆或转向齿条的电动马达。霍尔器件(半导体传感器元老之一)不断针对EPS和其它马达控制应用进行改进。已有两家供应商在EPS系统中采用了截然不同的霍尔技术。

  Melexis继推出USx88x系统之后已设计出其第二代霍尔锁存传感器。首款产品MLX92211的工作电压为2.7至24V。垂直施加于封装顶部的南北磁场可产生用于切换“开通”和“关断”的开漏输出。

  除了极高的静电放电(ESD)、反向电压保护和输出短路保护等级等保护功能之外,平台的磁芯设计还可以最大限度地降低温度敏感性。为补偿温度上升时的磁性减弱,Melexis实现了-1000 ppm/℃的负温度系数。这样就可以产生极稳定和精确的磁铁开关点。除了EPS应用之外,霍尔器件还可用于车窗玻璃升降器、天窗、座椅调节器、刮水器或电机换向中。

  相比之下,博世(Bosch)的工程师选择在ESC系统中使用霍尔器件。为降低成本,这种方法替代了GMR(巨磁阻)技术提供的绝对测量方法,该公司在其LWS5转向角传感器中使用了这一技术。更新的LWS6专门针对紧凑型汽车和小型汽车的基本功能,也可以用于电动液压助力转向或ACC系统。这个成本更低的技术仍可提供1.5的典型转向角信号分辨率。控制器件通过来自传感器的方波输出计算转向车轮的位置、旋转方向和旋转速度。

  博世的工程师还将霍尔器件用于专门针对EPS应用的扭矩传感器转向(TSS)中。此传感器包含两个霍尔传感元件,可测量驾驶员通过围绕扭力杆的两个同心圆的操作所施加的转向力。轮胎和路面之间的摩擦阻力引起转向力增加,从而产生成正比的TSS输出,它可以解决磁通量变化引起的小至0.002°的扭角(参见图4)。

  EPS和ESC只是霍尔传感器的两个汽车应用。霍尔传感技术已被Preh作为非接触式传感方法集成到Ford Coyote V-8引擎的Pierburg油门体中。用于Ford F-150卡车和Mustang客车的霍尔设计可提供电位传感器的备用方案。对于可能的应用,此传感器的工作温度范围为-58℃至+160℃。

1. 传感器接口要求

  传感器一般通过控制器局域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)协议连接到汽车总线。SAE J2716 SENT(用于单边半字节传输)协议和PSI5组织的外围传感器接口5(PSI5)是专为传感器开发的两个新兴接口。

  SAE的SENT编码方案针对高分辨率传感器数据需要传送到引擎控制模块等电子控制单元(ECU)的应用。SENT只需要一次转换,而不需要传统技术所需的多次模数转换,从而节省了传感器和ECU的成本。除了方便实现SENT的诊断功能之外,该协议还提供用于可靠数据传输的循环冗余码校验(CRC)。

  奥地利微电子公司(Austria Microsystems)在其AS5165角位置传感器中使用了霍尔传感技术,该传感器增加了使用SENT协议传送数据的能力,针对节气门和阀门位置传感和其它动力系统传感应用。磁性编码器在单个封装中整合了集成式霍尔元件、模拟前端和数字信号处理功能。除了易于传送高分辨率传感器信息之外,此传感器还集成了多个保护功能,包括防止电源和输出引脚的电压达到27V的过压保护、防止电源引脚出现-18V的反极性的保护以及用于连续短路检测和断丝检测的保护。

  

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关键字:汽车电子  车载信息娱乐  传感器  无线

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0405/article_3505.html
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