网络与混合信号半导体工艺推进汽车电子的集成

随着汽车电子系统的重要性不断提高，工程师面临着越来越多的技术挑战，并要求推出更多可靠的低成本电子系统及传感器、执行器(actuator)等子系统。 这些系统与子系统不是孤立的，而是彼此存在交互关系。以前，汽车电子装置通常由彼此分离的电子元器件和集成电路构成，相互之间采用专有的或专门的有线通信设计方案，至少许多传感器系统和针对执行器的直接电线连接的电源输出是这样的，这使得印制电路板面积很大而且笨重，增大了引擎控制单元(ECU)的体积。分离的元器件导致通信量的大量增加，而大量增加的通信量又造成纷乱复杂的通信线路。复杂的通信线路必然会带来许许多多的其他问题。因为这不仅仅是占用空间，增加重量和成本，众多的通信线路之间相互干扰，而且还容易受到汽车电磁干扰的影响，从而导致维护也变得相当困难。 所幸的是，汽车网络标准的发展与混合信号半导体工艺的进步正在逐步解决上述问题，并有可能实现在整个汽车中配置高级的智能系统。随着汽车网络标准化趋势的发展，控制器区域网(CAN)和本地互联网(LIN)架构得到广泛采用，目前已发展到2.0版本，这些网络标准实现了汽车系统性能与成本间的优化平衡。CAN为底盘、动力传动系统、发动机点火和车身主干通信提供了高速通信网络，而LIN则满足传感器与执行器子系统简单网络通信需求，并能通过标准化降低成本，提高系统稳健性。 CAN的广泛使用和LIN推出的同时，混合信号半导体工艺技术也在不断发展，使得在单个IC上能集成小型汽车系统所需的全部功能，或更高级的系统采用几块IC来集成。而代表着汽车总线的未来的Flexray总线网络，在CAN总线的基础上，将传输速率提高到了10Mb/s，而且通过优化的容错机制，将可靠性大大提高。上述这些汽车网络标准与先进的混合信号工艺相结合，使汽车制造商能够推出低成本的新型电子系统，并降低现有系统的成本。上述技术还能改善维护工作，提高可靠性，并为汽车驾乘人员带来更便利、更安全的驾驶体验。 汽车网络 CAN标准经过不断修订，已成为系统和 ECU间通信的事实标准。CAN是一种双线高速差分总线，规定的数据速率高达1 Mbps。不过，通常所用的数据速率为125 kbps～500 kbps。CAN采用专用的差分驱动器，可提供正的差分电压，或为总线提供高阻抗。这种物理层特性能实现无损判优，即CAN协议所定义的载波侦听多路访问/冲突检测+冲突解决(CSMA/CD+CR)标准。前一个消息发出后，任何节点都能访问总线。如果两个节点同时发出消息，那么发送具有最高优先级的节点将赢得仲裁，且持续发送消息，不会重新开始也不会丢失任何已发送数据。在ECU中实现CAN网络时，通常需要集成CAN协议控制器和CAN收发器，以及其他支持电路的微处理器(微控制器或数字信号处理器)。一般说来，上述系统非常复杂，难以集成于单块集成电路中。不过，混合信号工艺和集成技术的发展为我们带来了许多系统基础芯片和混合信号ASIC，从而能实现双芯片解决方案(MCU和混合信号器件)，或至少能减少ECU中所需的 IC数量。 尽管LIN最初面向的是车身电子应用，不过该技术正在向新的领域发展，已应用于车身之外的许多电子电路之中。在现有的汽车电子总线标准中，LIN为大多数传感器与执行器提供了最佳通信解决方案。这些传感器与执行器通常专用于单个系统，我们可将其视为子系统。LIN在汽车中发挥子网络的功能，能很好地满足这些子系统的各种需求。LIN的最大数据速率为20.0kbps，足以适用于大多数传感器与执行器。LIN是一种时间触发型主从网络，不需要在同时发出报告的设备间进行判优。采用单线技术实现LIN解决方案减少了线路复杂度，有助于减轻重量、节约空间和成本。 LIN联盟专为车辆子网络低成本应用而定义了该标准，该标准非常适合当前混合信号半导体工艺的集成能力。由于LIN协议相当简单，可通过异步串行接口(UART/SCI)工作，且从节点具有自同步功能，能用片上RC振荡器来替代晶体或陶瓷振荡器，因此能大幅节约成本。这样，对通常用于制造汽车子系统信号调节和输出IC的混合信号工艺技术而言，LIN就是一种非常适用的解决方案。 LIN的主节点通常是LIN子网络到CAN网络的桥节点，每辆车通常都带有几个LIN子网络。LIN主节点的复杂度较高，控制和LIN从节点通常较简单，能集成在一个IC子系统中。 LIN与CAN替代了目前所用的众多通信技术，如前代的网络设计方案、脉宽调制和可变脉宽(VPW)等架构，它们都是以不同的物理层设计为基础。大多数非网络化方案都是单向的，每个信号至少需要一个专门的线路。因此，上述架构不能满足双向通信与诊断的需求，或只能满足有限的需求。此外，由于上述解决方案通常是专有的，不能充分发挥规模经济的效益，也不能像开放标准那样支持设计重复使用。 先进的混合信号工艺 CAN与 LIN标准的广泛采用是汽车电子系统的重要发展趋势，加之目前混合半导体工艺领域取得的进步，这些标准变得更加重要。目前，有些IC制造商利用高速CMOS数字和先进混合信号/模拟工艺领域的专业技术，推动系统集成不断发展，实现了几年前我们想都不敢想的技术水平。汽车应用领域中有代表性的先进混合信号工艺技术包括线性Bi-CMOS(LBC或BCD)、高压CMOS和绝缘硅技术(SoI)。上述许多种工艺技术都能为全部汽车电子实现单个片上系统(SoC)或将其集成在少数IC中，满足物理层接口、电源、高电压、数字逻辑、存储器以及高精度模拟功能的需求。 对需要片上智能的系统而言，先进混合信号工艺使我们能实现相当高程度的数字逻辑、硬布线(hardwired)的数字处理、网络协议引擎和小型微处理器的集成。例如，混合信号设计可包括逻辑功能(状态机与协议引擎)，可通过LIN响应标准网络命令来控制和报告传感器或执行器的状态。这种片上系统集成对单触点车窗玻璃升降器等应用非常重要，这种应用需要适当的算法来确保窗玻璃不会夹手，在系统中能发出错误报告，并能为技术人员提供诊断信息。 汽车电子子系统实例 下面不妨以TI的TPIC1021 LIN-2.0收发器及基于TI的LBC工艺的稳压器为例，来说明基于LIN标准的电子子系统。你可在LBC工艺中根据需要集成更多组件，从而建立与汽车电子网络和LIN网络连接的片上系统，在低成本、高稳定性的IC中集成所有必需功能。典型的片上系统功能包括满足系统要求的汽车稳压器、网络收发器、传感器输入的模拟滤波、电源输出、模数转换器、数字滤波和控制功能以及网络协议控制器。图1显示了基于LBC技术的完全集成的传感器子系统实例。由于实现了高度集成和电路保护功能，该器件能够很好地满足恶劣汽车环境下的有限空间和成本要求。

图 1. LBC传感器子系统SoC 图2给出了用LBC工艺开发的系统基础芯片实例，它能减少前代执行器子系统所需的半导体器件的数量，并增加了新的功能。这样的子系统可在LIN子网络中与如图1所示的传感器子网络共存并协同工作。该系统基础芯片集成了汽车稳压器、电压监控器和复位电路，以及可连接到用户开关的高压接口、高侧驱动器、两个用于继电器的低侧驱动器(可控制马达或大电流负载)、控制回路反馈的运算放大器、保护电路系统以及符合LIN 2.0标准的收发器。该器件直接与系统的微控制器连接，而微控制器则提供有关控制算法，实现避免车窗玻璃升降夹手等，还为子系统提供LIN协议的处理功能。

图2：LBC系统基础芯片(SBC) 对其他应用而言，同一混合工艺技术能在两个器件中集成有关功能模块，从而增加新的功能，其中包括单轨和多电压轨的低压降和开关电压稳压器、高低侧驱动器的不同配置，多种运算放大器、数字逻辑以及 LIN和CAN等汽车网络接口。电源输出模块包括H桥、DC有刷智能驱动器和三相DC有刷电机以及继电器驱动器等。上述IC广泛用于多种汽车应用之中，其中包括底盘、动力传动系统、电动座椅、电动后视镜、门锁、刮雨器、除霜器、车窗玻璃、天线升降设备、暖通空调系统(HVAC)， 以及各种满足用户舒适和安全需求的电子系统等。 汽车电子系统的好处 采用标准化的车辆网络架构和集成度更高的混合信号 IC为我们提供了诸多系统级优势。 首先，提高了系统稳健性并增强诊断功能。通过采用标准化网络用于双向通信系统，系统一旦出现问题，我们就能立即获得诊断与故障信息。由于不再采用专有技术接口，因此我们可根据已知的、可靠的标准使用通用的通信方案，便于系统及软件开发，并提高了今后系统和软件的重复使用性。 其次，可减少布线要求。由于采用了标准化的车辆网络架构，我们只需三根到四根线(LIN：电池、接地和 LIN；CAN：电池、接地、CANH和CANL)就能满足特性丰富、具备诊断功能的系统需要。由于减少了布线要求，因此可以降低成本、减轻重量、简化安装工作，并减少潜在的故障来源。 集成还带来其他优势和节省。由于提高了系统集成度，PCB和封装可以更小型化，从而改善汽车中电子设备的位置布局，提高灵活性，并减少了布线方面的麻烦。通过减少组件数量，还能降低库存，减轻质检和监控的工作量。上述因素还有助于减轻重量，减小体积，这些都是汽车应用设计中的重要问题。 上述技术发展使我们在提高汽车系统的智能与功能方面迈出了新的一步。新一代混合信号汽车 IC 将具有更高的性能、更强大的处理能力、更高的灵活性及可编程性，从而可满足未来汽车电子系统的各种需求。