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，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)點連接器免受過電流情況的損傷，以及一個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)象時進(jìn)行過電流限制。同時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，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，具有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)行為、冗位和容錯的特點。

該結(jié)構(gòu)支持一“束”2個節(jié)點至64個節(jié)點，其功能主要依靠于兩種類型的處理器—ECU和“活動星”。 FlexRay通訊通過一個常用總線或一個星形連接在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PolySwitch設(shè)備進(jìn)行過電流保護(hù)。
 
                                       
 [page]

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?？刂栖囕d照明的理想解決方案之一，就是將一個高壓側(cè)前置FET驅(qū)動器和功率FET組合。

一個前置 FET 驅(qū)動器被用來控制系統(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來自微控制器的并行輸入信號或串行編程寄存器來控制。在一個并行結(jié)構(gòu)中，一個通用 I/O 或基于定時器的輸出被用來控制負(fù)載電流。

柵極驅(qū)動輸出通常為一個恒定電流源，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，同時還可有助于減少會增加電磁干擾（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)動器和功率 FET 的組合進(jìn)行配置，以防止應(yīng)用中的動態(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候。

當(dāng)檢測到一個過電流狀態(tài)時，通過“關(guān)閉”器件或激活將以低占空比自動重試和 “開啟”FET 的選項設(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，通過監(jiān)控外部功率 FET 的電源電壓，就可以實現(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)錯誤的故障報告，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間進(jìn)行編程來對所有轉(zhuǎn)換率控制實施進(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)做出正確的動作以前故障的確定有效時間比故障掩模時間要長。正確的動作就是使該場效應(yīng)晶體管保持在“關(guān)閉”狀態(tài)下。

將一個高壓側(cè)前置FET驅(qū)動器和功率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現(xiàn)負(fù)載控制的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中。將每一個功率 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，主要用于汽車的動力傳動系統(tǒng)?，F(xiàn)在的汽車，包括混合動力汽車，則采用20V到600V的功率器件。對于動力轉(zhuǎn)向及制動這類應(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，免除了微型控制器的互動需要。因為這個問題在HEV逆變器中，開關(guān)高電流、高電壓IGBT時十分常見。”

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，并且因為消除了大部分的寄生電感，以及具備最小的封裝電阻，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力車輛還將只是占據(jù)車輛市場的一小部分，但混合動力對逆變器和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。