半导体公司坚定汽车电子技术的发展方向

——从IATF2009看汽车电子技术发展趋势

经济的低迷也许会滞缓汽车电子市场的发展，但绝改变不了技术所引领的方向。这是国际主流汽车半导体公司通过深圳2009年中国汽车电子技术应用高级研讨会（IATF2009）向业界透露的信心。

一年一度的IATF是《电子产品世界》杂志社举办汽车电子领域的高端技术论坛。今年的论坛邀请了泰克科技、村田电子、凌力尔特、英飞凌、恩智浦半导体和富士通微电子等多家国际主流汽车电子和解决方案供应商，吸引了超过200名的专业听众。



IATF2009吸引了超过200名的专业听众

HEV/EV对元器件和电池管理系统的技术要求

当前的汽车市场，采用电池作为主要动力或者作为汽油的辅助动力降低CO2的排放已经成为绝对的热点话题，所以混合动力/电动汽车（HEV/EV）成为IATF2009的一个重要主题。来自村田电子的产品经理谭斌和凌力尔特的应用技术工程经理卢志豪分别介绍了HEV/EV对电子元器件和电池管理系统的技术要求和设计对策。

谭斌介绍说，汽车工业对电子元器件的质量要求主要分为三类：ISO/TS16949国际汽车行业质量体系标准，这是在美国汽车三大巨头（通用，福特和克莱斯勒）发起的QS9000基础上发展起来的；电子元器件质量，包括AEC-Q100有源器件负荷测试认证规范和AEC-Q200无源器件负荷测试认证规范；EMC/EMI保护，包括CISPR12和CISPR25。

HEV/EV可以根据燃料/ CO2 节约比例不同，分为纯电动驱动、部分电动驱动、扭距助力系统、辅助马达系统和停止/启动控制系统。由于采用了不同的动力系统，在汽车电子通用标准的基础之上，对电子元器件的要求也相应的有了变化。例如，电池单元的热敏电阻随着电池从镍氢电池向锂电池甚至燃料电池的升级，也会产生电池温度检测、电路短路保护、过热保护和电芯放电和过电流保护等不同的需求。

卢志豪也表示高性能锂电池已经成为HEV/EV当前应该优选的电池类型，它的的能量存储密度比上一代的镍氢电池有了大幅度的提高，采用磷铁锂作为负极材料的锂电池存储密度可以达到70-120Wh/kg，并且在工作的温度范围，安全性和环保方面都有出色的表现。

但是测量充电状态（SOC）已经成为延长电池使用寿命的一个难题。卢志豪指出通常会将电池充电研制在一个SOC范围内，例如：20%-80%，所以可用容量只有规定容量的60%。因为，把锂电池充电至100%充电状态或者放电至0%都将使其容量快速下降。

因此，锂电池电量的准确测量非常重要。在笔记本电脑等小型设备上，一般采用计算流入和流出包含3-8节电池的库伦（Ix△T）计算法。“这在汽车中几乎是不可能的，”卢志豪介绍说：“在汽车中，电池驱动的是电机而不是母板。而且200A的电流尖峰很常见，随后就可能是低功耗的空载状态。汽车锂电池的电压取自100个串联电池，它们的老化程度不同、来自多个制造批次、随温度变化差异，因此即便具有相同库伦的电池也可能存在相聚很大的充电水平。”



图 混合/纯电动车动力系统 资料来源：村田电子


表 不同负极材料的比较 资料来源：凌力尔特

卢志豪建议用电压测量进行SOC评估，通过准确测量每节电池的电压来了解电池的SOC。运用的技巧是通过考虑电流和温度对电池ESR和容量的影响，以改善电压测量的准确性。从30%至70%的SOC，电压变化一般为200mV至5mV%SOC。当某些电池过充电而另一些电池欠充电时，可以采用“电池平衡”方法调节每节电池的充电水平。

与电压测量相应的是，泰克科技分销产品部经理陈文权认为应该通过监测电池温度来控制充电的速度。他在论坛上向听众介绍了泰克的任意波形/函数信号发生器AFG-3011，AFG-3011通测量充电器对温度变化的响应从而确认电流变化期间的控制稳定性。对于温度控制充电的方法，解码I2C的数据，确认读数正确以及捕捉整个电流校正周期的数据是两个技术挑战。

汽车总线性能要求在提升

当前汽车总线主要包括用于车身控制的CAN、LIN，用作底盘控制的FlexRay和信息娱乐系统中的IDB-1394和MOST。CAN依然占据汽车总线的主流地位，但是英飞凌车身电子系统市场部经理李世铭在IATF2009上表示，低速CAN的市场份额将会逐步被LIN所占领。

如果把汽车总线比做人体的神经网络，收发器可以视作神经的节点。收发器是网络总线和ECU之间的接口，负责控制器和总线间的信号转换。李世铭介绍说一旦某个通信模块的收发器失灵，就失去了和其他模块的通信，最好的状况是警示灯开始闪，最差的状况是汽车无法工作。收发器的鲁棒性尤其是ESD的性能尤为重要，其他性能要求还包括ISO脉冲、耐电流能力和温度等等。


图 汽车总线市场 资料来源：富士通微电子

此外，汽车网络的一致性也是关系到总线通信的核心问题。网络物理层必须保持一致性，因为不同的硬件通过总线联接，同样由于不同的软件驱动和微控制器联接在同一个总线系统，每个ECU都需要符合通信协议，因此数据链接层也需一致。李世铭介绍说，为此GIFT/ICT联盟定义了数据链层和物理层的要求，以及一致性测试的条件。CAN物理层一致性测试包括：电参数测试和互操作性测试；CAN物理EMC测试包括：ESD测试，采用DPI方法的EMI测试和EME测试。

作为下一代的车内控制网络的主要选择，FlexRay提供了比CAN更高的速度和可靠性。FlexRay还能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置，并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置，可支持各种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。

富士通微电子产品经理丁洁早介绍了FlexRay 面向的是众多的车内线控操作(X-by-Wire)，例如：通过多输入设备进行Steer/Shift by wire、利用集成的刹车系统实现Brake by wire、HEV汽车的电池控制和悬停等等。

针对不同的总线技术，泰克科技的陈文权介绍了用于数字串行接口系列数字示波器DPO/MSO4000可以分析SPI、CAN、LIN和FlexRay，以及FlexRay物理层的分析软件DPO4AUOTMAX。

车载信息娱乐系统高端应用增长迅速

随着数字高清电视的逐步普及，再加上2013年Blu-Ray播放器将停止模拟输出，使得IDB-1394找到了接入后座娱乐市场的良机。1394高速传输技术的第一种标准是IEEE1394-1995，这个版本允许数据达到400Mbps，第二个版本是1394a-2000，它增加的功能例如异步数据流和串联包。1394a-2000可以支持800Mps的数据速率。近年来，支持1600Mps和3200Mbps的也加入到这个标准中。1394汽车标准1394b-2000已经在2000年得到批准。

丁洁早介绍说，汽车内娱乐系统对IDB-1394协议的带宽要求各不相同，例如，由车头尾、两侧的摄像头组成的摄像网络大概需要588Mbps（147x4）的带宽支持640x480x30fps的格式。800x480x60fps和18位RGB的导航系统需要415Mbps的带宽，720x480x30fps的DVD和数字电视所需带宽分别为166Mbps，因此整个车载娱乐系统的带宽总需求达到747Mbps。

除了IDB-1394或者MOST等车内多媒体的网络技术，车用的视频处理器SoC市场也将在未来的数年内呈现高速增长，CAGR将达到21.4%，其中高端SoC的年平均增幅接近50%。NXP半导体汽车电子事业部的技术和应用市场经理徐伟杰表示，高端处理器能够解码高清和标清的视频内容、支持蓝光格式、接收全球不同的数字电视信号，并且应该具备高级的HMI和导航系统以及网络联接。而中端的产品应该支持标清内容的解码、地面数字电视和DVD播放等。

针对不同的定位，NXP将车载多媒体产品家族分成了Vicaro 和MuVi。Vicaro支持标清电视和HD ready，采用的是NXP 集成了TM3260和3282系列DSP的PNX95xx平台；MuVi是更高端的多媒体处理器SoC，徐伟杰透露目前已经推出的是在采用ARM11的PNX9610平台上的MuViHD1，NXP计划将ARM Cortex9纳入后续的MuVi系列中，并且正在考虑采用多个Cortex9核的PNX9640平台。



图 车载视频处理器市场 资料来源：NXP半导体