汽車技術需求

當今，隨著人們對汽車舒適性等方面要求的提高，車身電子控制和動力性的重要性日益突顯，越來越多的汽車開始裝備高性能的車身控制系統(tǒng)和先進的管理系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的增加和升級為半導體器件的應用開辟了巨大的空間。過去幾年配置多而全的做法使得不同車型的配置高度同質(zhì)化，已不再對消費者有很強吸引力，針對消費者使用習慣的配置設計和搭載才能再次勝出。

隨著西方汽車市場需求的復蘇以及發(fā)展中經(jīng)濟體車輛數(shù)目的持續(xù)增長使燃料消耗和污染不斷增加，政府和制造商都在積極探索改善燃油經(jīng)濟性以節(jié)約能源、減少排放的途徑，汽車中越來越多的電子功能也使半導體元件在車輛中的比重不斷激增。面對環(huán)保和豐富消費者體驗的雙重挑戰(zhàn)，半導體制造商正在利用其技術專長開發(fā)各種符合汽車規(guī)范的解決方案。

但是，面對環(huán)保和豐富消費者體驗的需求，以及汽車器件的最嚴格規(guī)范，制造商一方面要在產(chǎn)品的設計和制造等方面更加注重可靠性指標的認證，另一方面也要保證產(chǎn)品在提供更高性能的同時，符合環(huán)保節(jié)能方面的要求。本文將結合安森美半導體的汽車技術專長，談談汽車車身及動力系統(tǒng)解決方案所采用的各種器件。

汽車應用的挑戰(zhàn)

汽車電子市場一直是半導體工業(yè)的重要應用領域之一，今天的汽車已不再只是一種交通工具，對安全、舒適和多種功能的需求使電子產(chǎn)品在整車中的成本比例不斷上升。最近幾年，中國汽車市場連續(xù)兩位數(shù)的強勁增長勢頭更引起了半導體廠商的關注。

但是，汽車應用使用的器件與普通工業(yè)應用要求不同，更加難以滿足。由于汽車應用的特殊性，其中的電子產(chǎn)品對于整車的安全和可靠性影響很大，因此對電子元件制造商來說，一方面要在產(chǎn)品的設計和制造等方面更加注重可靠性等指標的認證，另一方面也需要供應商在零部件的篩選等環(huán)節(jié)嚴格把關，保證配套產(chǎn)品符合可靠性和性能等方面的要求

先進的汽車工藝技術

汽車電子設備的增加使汽車的各個部分都無法避免寄生信號，甚至可能出現(xiàn)80 VV的峰值，汽車設計團隊必須考慮到這一點。用于汽車的模塊和組件需要能夠承受這種峰值并保證實現(xiàn)應有的功能。安森美半導體利用成熟的汽車技術能力，開發(fā)了一套專門的高電壓汽車電源技術，實現(xiàn)復雜的高電壓系統(tǒng)級芯片（SoC）解決方案，滿足最大電壓和數(shù)字門集成的要求。

同時，汽車中越來越多的電子含量對電磁兼容性的要求越來越高，汽車制造商也制定了相應的性能標準，旨在使車載網(wǎng)絡（IVN）應用擁有更高的抗ESD脈沖和抗EMI能力。安森美半導體利用創(chuàng)新的I3T50/I3T80技術提供最佳的一流器件，通過深溝槽隔離等工藝既實現(xiàn)了先進功能，又保證了可靠設計，降低了芯片上不同單元（cell）結構之間的干擾。

安森美半導體的一系列技術允許使用高達100V的電源，有利于元件的集成——包括嵌入式微處理器內(nèi)核。安森美半導體的汽車ASIC和專用標準產(chǎn)品（ASSP）解決方案廣泛用于動力總成（包括環(huán)境溫度≥150℃的高溫應用）、安全、車身、儀表板、IVN、傳感器和驅(qū)動器應用。

安森美半導體是汽車MOSFET市場的主要供應商。除了平面MOSFET產(chǎn)品系列，該公司還提供40 V和60 V溝槽MOSFET。溝槽技術是為低Rds（（on））開關應用優(yōu)化的，與平面技術相比，更適用于線性操作模式。

安森美半導體車身及便利應用解決方案

車身電子及便利應用包括氣候控制、智能接線盒、前照燈調(diào)節(jié)與電源控制、雨刷和光傳感、后視鏡控制、座椅位置/加熱/冷卻、車門模塊、方向盤傳感器等。

這里以車身暖通空調(diào)（（HVAC）的控制、通信和電源、車載網(wǎng)絡方案、汽車照明方案以及直流電機驅(qū)動器為例介紹。

1. 車身HVAC的控制、通信和電源

HVAC包括多個子系統(tǒng)：其一是汽車加熱及通風系統(tǒng)，從外部管道吸入清新空氣進入車廂；進入的空氣可以通過連接引擎冷卻系統(tǒng)的小型發(fā)熱芯來加熱。其用途是提高乘客的舒適和安全度。其二是空調(diào)制冷系統(tǒng)，將車內(nèi)熱量轉移到不斷循環(huán)的蒸發(fā)和冷凝的外部空氣中，降低空氣的溫度和濕度。其三是控制頭，即帶有用戶界面的ECU（（電子控制單元）。

圖1：HVAC框圖

圖1是HVAC的框圖，圖中綠色的部分都會用到安森美半導體的各種器件。這些器件包括用于I/O保護的二極管和整流器；用于收發(fā)器或SBC的接口；用于電機預驅(qū)動器（BLDC、BDC）的IGBT/FET和MOSFET；用于步進電機驅(qū)動的負載/繼電器驅(qū)動器及接口；用于控制面板的雙極晶體管/數(shù)字晶體管（BRT）、接口、模擬開關、標準邏輯、多路轉換器；用于信號調(diào)理的放大器和比較器、運算放大器；用于高端驅(qū)動器的驅(qū)動器、負載/繼電器驅(qū)動器、IGBT/FET和MOSFET；用于電源保護的二極管和整流器、小信號開關二極管、齊納二極管、肖特基二極管；用于穩(wěn)壓（線性、開關）的接口、直流-直流（DC-DC）控制器、轉換器和穩(wěn)壓器、控制器、線性穩(wěn)壓器；用于監(jiān)控的DC-DC控制器、轉換器和穩(wěn)壓器；以及用于低端驅(qū)動器的負載/繼電器驅(qū)動器、IGBT/FET和MOSFET。

2. 車身HVAC直流電機驅(qū)動器

目前，最流行的翼板執(zhí)行器（flap actuator）是將位置信號反饋給微控制器的簡單的直流電機。為了控制直流電機的正向和反向，必須使用全橋配置的兩個高端功率級和兩個低端功率級。通常，這些驅(qū)動器集成了所需的功能，如過壓、過載和過溫保護。此外，SPI接口可以為微控制器提供診斷功能。

集成的脈沖計數(shù)技術結合額外的信號調(diào)節(jié)塊可以取代分立的位置電位計器。在脈沖計數(shù)應用中，該電路檢測直流電機的換向脈沖，并為每個檢測到的換向脈沖創(chuàng)建一個脈沖。通常這些脈沖要反饋到微控制器進行位置檢測和位置控制。安森美半導體為這類電路定制的ASIC已經(jīng)投產(chǎn)。

六路半橋式驅(qū)動器NCV7708就是一種靈活的單面高/低端驅(qū)動器。其六個高端和低端通道專門用于電機控制配置，如半橋或全橋。NCV7708可以通過一個16位SPI接口控制5個直流電機。該器件還可以控制繼電器或指示燈。圖2是該器件的功能框圖。

圖2：NCV7708功能框圖

三路半橋驅(qū)動器NCV7703可以控制兩個直流電機。功率級的內(nèi)部連接作為半橋使用，采用SO-14封裝的器件可有效減少引腳數(shù)量。圖3是該器件的框圖。

圖3：NCV7703功能框圖

3. 車載網(wǎng)絡方案

車載網(wǎng)絡（IVN）應用需要盡可能地降低成本及減小占用的空間，同時提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期可靠性，因此需要提高元器件的集成度。安森美半導體的IVN器件非常多，包括用于本地互連網(wǎng)絡（LIN）和控制器局域網(wǎng)絡（CAN）的各種收發(fā)器。例如，安森美半導體的NCV7420集成了線性穩(wěn)壓器及LIN收發(fā)器，有效地節(jié)省PCB板空間，又可為MCU單獨供電，有效抑制其它模塊對MCU電源的干擾。

又例如安森美半導體針對IVN應用的單線LIN收發(fā)器AMIS-30600，可以作為協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，特別適合驅(qū)動汽車和工業(yè)應用中的LIN系統(tǒng)總線，也可用于標準ISO9141系統(tǒng)。為了減少電流消耗，AMIS-30600提供了待機模式。該收發(fā)器采用I2T100技術，將高壓模擬電路和數(shù)字功能集成在同一個芯片上，通過故障情況的無限短路保護功能，為滿足當前的IVN要求提供了一種超安全的解決方案。

最近，安森美半導體推出了一款功能豐富的本地LIN收發(fā)器NCV7321。它可在低數(shù)據(jù)率IVN應用中作為LIN協(xié)議控制器與物理總線之間的接口。NCV7321具備極佳的電磁兼容性（EMC），以及高達13 kV的強固系統(tǒng)級靜電放電（ESD）性能，不需要外部ESD元件，功耗也更低，非常適合汽車應用的嚴苛環(huán)境。

NCV7321采用安森美半導體創(chuàng)新的I3T技術及智能電源技術，使高壓及敏感的數(shù)字技術能夠共存于同一芯片。它符合LINv2.1和J2602規(guī)范，具備與AMIS-30600相同的功能，但引腳輸出不同，為客戶提供了符合現(xiàn)有LIN收發(fā)器的替代產(chǎn)品。該器件采用高密度、節(jié)省空間的SOIC-8封裝，典型應用包括多種車身電子功能和舒適功能應用，如遙控車門開鎖接收器、車窗和遮陽罩升降器、報警器、電動視鏡及座椅調(diào)節(jié)器，以及電子轉向鎖和輪胎監(jiān)測電子控制單元（ECU）等其它功能。

NCV7321的突出特點是最大限度滿足了汽車的省電目標，休眠模式下的電流消耗僅為10 ?A。其它關鍵特性包括熱關閉、模糊短路保護及45 V負載突降保護。圖2顯示了基于NCV7321 LIN收發(fā)器的典型電路。值得一提的是，該器件支持-45 V至45 V的電壓范圍，可承受額定5 kV的ESD脈沖，提供了強大的保護功能。

4.汽車照明方案

NCV7608具有最大的靈活性，可以驅(qū)動不同類型的電機及各種負載，如燈泡、發(fā)光二極管和繼電器。NCV7608有一個可防止LED發(fā)光的特殊診斷電流禁用位，以及標準的診斷功能。圖4是NCV7608的功能框圖。

圖4：具備最大靈活性的NCV7608

該器件是一款8路可配置低端/高端驅(qū)動器，采用高密度SOIC-28W封裝，能夠在-40℃至+150℃的結溫下工作。NCV7608具有3.15 V至5.25 V的寬輸入電壓范圍，并具有8路完全獨立的輸出驅(qū)動器，能夠任意配置為高端、低端或半橋配置組合，為需要驅(qū)動大量負載的設計人員提供極靈活的方案。

該器件通過集成的標準串行外設接口執(zhí)行所有輸出段的數(shù)字控制，這種功能還能獲取診斷故障信息。此外，4個通道能利用外部控制輸入引腳進行脈寬調(diào)制（PWM）控制。該器件在25℃時的典型導通阻抗（RDSON）僅為1.2 Ω，能大幅延長電池使用時間。

規(guī)范完備的NCV7608還提供正/負瞬態(tài)保護、過流保護及過溫保護功能。其集成鉗位電路（在高端及低端工作模式下）確保過溫保護及欠壓鎖定。利用NCV7608可以支持單極和雙極步進電機控制，如圖5所示。

圖5：用NCV7608支持單極和雙極步進電機控制

其汽車照明用集成線性電流穩(wěn)流及控制器NCV7680可以單芯片為組合尾燈供電，提供更佳的性能和更高的能效，且占位面積比市場上的方案更小。該器件包含8個線性可編程恒流源，適用于汽車固態(tài)組合尾燈（RCL）的穩(wěn)流和控制，支持高達每通道75 mA的發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動電流。

NCV7680集成了眾多功能，支持兩個亮度等級，一級用于停車，另一級用于尾部照明。如果需要，也可使用可選的脈寬調(diào)制（PWM）控制。系統(tǒng)設計人員只需使用一個外部電阻設定輸出電流（整體設定點）。另外，針對要求大電流的設計，可選的外部鎮(zhèn)流器場效應晶體管（FET）可以根據(jù)設計所需的高電流進行功率分配。延遲的功率極限降低了在過電壓狀態(tài)下的驅(qū)動電流。這對于沒有外部FET的低電流應用來說十分重要。

安森美半導體動力系統(tǒng)解決方案

動力總成包括傳輸控制和位置檢測、引擎控制、油門控制、油位檢測、空氣流量監(jiān)測、氣門控制、燃油噴射控制等。這里介紹的是安森美半導體的引擎管理和燃油噴射系統(tǒng)解決方案。

1.引擎管理及動力總成方案

目前，全球大約有80％的引擎是汽油引擎。汽油引擎都采用直接噴射和渦輪增壓，以提高簡單和經(jīng)濟型引擎的效率。汽油引擎未來仍是世界各地的主導力量，不過柴油引擎在歐洲已大約達到40％的普及度，并在北美地區(qū)也有增長的潛力。

汽車電子器件有助于通過引擎的控制、檢測和驅(qū)動來提高效率。精心控制的關鍵部件（如噴油器和氣門）可達到最高效率。為了提高控制能力，需要對燃燒室壓力進行實時測量和處理，可減少汽油引擎30％的燃料消耗。

安森美半導體為汽油引擎、雙燃料/彈性燃料（bi/flexfuel）和柴油引擎開發(fā)了各種定制和標準產(chǎn)品，范圍覆蓋從點火控制的供氣和供油到排氣后處理子系統(tǒng)的眾多應用。這些產(chǎn)品組合包括：電感式角度傳感器接口、壓力傳感器接口、爆震和輪速檢測電路、油/尿素流（urea-flow）和氣流接口、車載網(wǎng)絡組件、油門執(zhí)行器驅(qū)動器和前置驅(qū)動器、電磁和壓電燃料噴射系統(tǒng)、火花點火、風機、泵和液壓控制。圖6是汽油引擎管理系統(tǒng)的框圖。此外，安森美半導體還提供柴油引擎管理系統(tǒng)，以滿足柴油引擎在歐洲和北美地區(qū)持續(xù)增加的需求。

圖6：汽油引擎管理系統(tǒng)

2. 燃油噴射系統(tǒng)解決方案

燃油噴射系統(tǒng)用來測量每個氣缸的燃料數(shù)量和時序。完全集成的多點（MPI）汽油引擎管理系統(tǒng)仍然是目前最流行的解決方案。為滿足強勁增長的汽油直噴（GDI）系統(tǒng)的新需求，安森美半導體還推出了動力總成方案，涵蓋了傳輸控制和位置檢測、引擎控制、油門控制、油位傳感器、空氣流量監(jiān)測、氣門控制、燃油噴射控制等應用。

半導體器件有助于通過引擎的控制、檢測和驅(qū)動來提高效率。精心控制的關鍵部件（如噴油器和氣門）可達到最高效率。為了提高控制能力，需要對燃燒室壓力進行實時測量和處理，可減少汽油引擎30％的燃料消耗。

總結

身為全球領先的高性能、高可靠性硅解決方案供應商，安森美半導體制定了完整的汽車解決方案戰(zhàn)略 。除了用于車身和動力系統(tǒng)，安森美半導體采用先進汽車工藝技術的各種汽車應用產(chǎn)品，還可以用于汽車電子的其他部分，以實現(xiàn)優(yōu)異的性能。這些器件包括：集成了關鍵系統(tǒng)元件的系統(tǒng)級芯片可提高系統(tǒng)可靠性，降低能耗，節(jié)省電路板空間；極低靜態(tài)電流和寬線性穩(wěn)壓能力的線性穩(wěn)壓器具備短路保護和過溫保護；采用自保護MOSFET的集成電路可取代繼電器和保險絲驅(qū)動電磁線圈和燈；消除反向恢復振蕩的高壓整流器可提供低正向壓降，提高效率；有瞬態(tài)電壓保護功能的高可靠電子模塊可實現(xiàn)I/O和傳感器、負載突降、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線和負載開關等保護。此外，安森美半導體還提供各種汽車級運算放大器和比較器、可靠的電機和機電繼電器驅(qū)動集成電路及插座、采用標準CMOS/低電壓CMOS工藝的穩(wěn)固的標準邏輯系列。旨在為越來越多的汽車客戶提供基于ASIC、ASSP和分立式元件的全面解決方案，幫助客戶實現(xiàn)車身、HVAC、動力系統(tǒng)、安全、信息娛樂和LED照明的節(jié)能應用。為了支持中國這個全球最大的汽車市場，安森美半導體還在上海設立了汽車解決方案工程中心，通過本地專業(yè)技術支持深入了解和解決客戶的問題，提供參考設計和演示板，幫助客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本和性能，推動中國新汽車產(chǎn)品的開發(fā)進程。

所有這些集成電路和分立器件均符合汽車可靠性和溫度等規(guī)范和環(huán)保要求，同時可以滿足人們對汽車舒適性等方面越來越高的要求。