- 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遇和挑戰(zhàn)
- 元器件在汽車安全系統(tǒng)中的作用
- 車載娛樂系統(tǒng)中半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用
- 新能源汽車引領(lǐng)高壓連接器潮流
未來的汽車電子系統(tǒng)中，隨著對安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂等需求的增加，相關(guān)元器件及其周邊產(chǎn)品的出貨也將持續(xù)快速增長。諸多汽車電子領(lǐng)域的設(shè)計挑戰(zhàn)，需要從元器件層面就開始考慮解決方案。本期半月談圍繞這個話題，介紹新型傳感器、保護器件、高壓連接器在汽車動力控制、安全系統(tǒng)、通信娛樂、充放電系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。
汽車電子的技術(shù)升級速度和其他應(yīng)用領(lǐng)域如工控、醫(yī)療相比是相當(dāng)快的，這有多方面的原因。首先汽車電子和人們的日常生活緊密相關(guān)，尤其在歐美這些以車代步的國家，汽車作為必需品，幾乎是大多數(shù)人日常出行的唯一選擇。而正在崛起的新興市場如中國、印度，汽車市場飛速增長，據(jù)最新報道，深圳的汽車保有量剛剛突破170萬輛，成為汽車密度最高的內(nèi)地城市。可以看出越來越多家庭有了購車的需求，從而推動了汽車電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
據(jù)isuppli的調(diào)查顯示，2012年中國汽車電子銷售額將從2009年的160億美元增長到206億美元。而2012年美國汽車電子市場將為205億美元，屆時第一的位置將讓給中國。
汽車有多個子系統(tǒng)，構(gòu)成非常復(fù)雜。每個子系統(tǒng)都離不開大量的汽車電子產(chǎn)品——當(dāng)然，不同級別的汽車使用汽車電子的數(shù)量不盡相同。例如目前中國市場的主流汽車電子系統(tǒng)不太復(fù)雜，智能程度不高。這些系統(tǒng)主要專注于轉(zhuǎn)向、駕駛輔助、乘員消極保護、剎車和控制系統(tǒng)以及舒適方便。
隨著市場的升級，未來汽車電子的應(yīng)用熱點也將面臨變化，能源系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、避撞、線控駕駛、控制系統(tǒng)、智能傳感器與激勵器、集成汽車電氣與電子系統(tǒng)和熱舒適系統(tǒng)都將扮演著更重要的角色。
下面，我們就來分析這些新興的需求為元器件市場帶來了哪些機遇和挑戰(zhàn)。
元器件在汽車安全系統(tǒng)中的作用
安全性是汽車系統(tǒng)設(shè)計要考慮的第一要素。新的行車安全離不開穩(wěn)定的引擎管理系統(tǒng)，而傳感器件作為汽車內(nèi)使用量最大的器件之一，在安全系統(tǒng)中也被大量應(yīng)用。
行車安全方面，及時檢測引擎溫度是非常重要的一環(huán)。在檢測的同時，還必須確保可靠性和使用壽命。TDK最新的傳感器重量僅為傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的50%，但在保障溫度檢測準確性的同時，防震性能和使用壽命也得到了大幅提升。傳感器頂部的塑料外殼可保證極佳的熱傳導(dǎo)性，從而優(yōu)化反應(yīng)時間和精確度，有利于測量汽車油溫和冷卻液溫度。另外反應(yīng)快、適應(yīng)范圍廣也是該產(chǎn)品特色。
汽車在起停等常規(guī)操作中，會受到電氣干擾和高頻影響，產(chǎn)生干擾。通過配線系統(tǒng)傳導(dǎo)，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設(shè)備。干擾源包括啟動系統(tǒng)、交流電機、負載切換、開關(guān)抖動以及“拋負載”(即直流電機運行過程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓)。
這些浪涌中最具破壞性的是“拋負載”，發(fā)生在引擎正在運轉(zhuǎn)的過程中，在交流電機正在給電池充電時斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時交流電機的轉(zhuǎn)速和場激勵的大小。這一浪涌過程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對半導(dǎo)體電路具有潛在的致命影響。一旦電子電路受到破壞，就可能對安全造成極大隱患。
PPTC保護器件是一種可復(fù)位的聚合物正溫度系數(shù)器件，一直以來應(yīng)用于電源直流輸出端的過載和短路保護。泰科電子瑞侃的PolySwitch產(chǎn)品能夠為電源、RXE輸入/輸出接口提供保護，也能實現(xiàn)過熱、電機失速等保護。
除了PPTC器件，MOSFET也能起到類似的保護。不過， MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點之外，還能使功率組件更符合最低的系統(tǒng)成本，藉以達到更為優(yōu)異的故障自我保護系統(tǒng)。因此，大部分的設(shè)計人員轉(zhuǎn)而采用具有保護作用的MOSFET功率組件來完成。[page]
車載娛樂系統(tǒng)中半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用
信息娛樂設(shè)備也容易因為過高的瞬變電壓而損壞，其中包括它所在的工作環(huán)境及周邊設(shè)備產(chǎn)生的靜電放電(ESD)脈沖。往往使用ESD保護器件、金屬氧化物變阻器(MOV)和齊納二極管來保護汽車電子設(shè)備，例如天線、背光加熱器、電池、按鍵、電路板上的印制線、CD/DVD播放器，數(shù)據(jù)線端口、硬盤驅(qū)動器以及輸入/輸出端口和觸摸屏。
車內(nèi)充電的便攜設(shè)備對過流過壓保護的需求很大，泰科電子的 PolyZen 器件能夠滿足保護需要。這種器件與類似于齊納二極管的保護器件一起使用時，具有協(xié)同保護的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。
車內(nèi)的高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護器件，盡量保持信號質(zhì)量不會下降。選用的器件應(yīng)當(dāng)適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。
PPTC電路保護器件在車載信息娛樂系統(tǒng)中一樣得到了廣泛的采用。它作為一種實用的、經(jīng)濟有效的解決辦法，起到了過流和或過熱保護的作用。在GPS、DVD或者收音機和汽車通訊信息系統(tǒng)(telematics)的電路板中，也常常用它來限制電流。
新能源汽車引領(lǐng)高壓連接器潮流
快速發(fā)展的電動汽車及混合動力電動汽車市場將引發(fā)大批高壓連接器應(yīng)用，這些應(yīng)用新穎、令人矚目。不同汽車制造商正在嘗試不同方法以實現(xiàn)低排量或零排量的目標，由此也將進一步提高對連接器供應(yīng)商的要求。這些要求有一個共性，即在滿足不同程度的安全及人身保護要求的同時，不斷降低成本，減小重量和體積。同時，制造商不會放棄現(xiàn)代消費者所期望的高可靠性和耐用性。
連接器廠商中，F(xiàn)CI在電動汽車和混合動力汽車市場上有強大的競爭力。新推出的Power.S3系列是專為新一代充電電池驅(qū)動的插電式混合動力汽車和電動汽車設(shè)計的產(chǎn)品。
使用大容量鋰電池是電動汽車和混合動力汽車設(shè)計多樣化選擇的一個共同點。鋰電池工作電壓的范圍為400~600V。這至少是傳統(tǒng)汽車標準14V鉛酸電池的10倍以上，因此FCI連接器公司開發(fā)了應(yīng)用專門的連接器和充電插頭的全方位的解決方案。
這些新的連接器和充電插頭需要解決許多重大的問題。其中，最首要的就是安全問題，因為新的連接器和充電插頭工作電壓的范圍為400~600V，工作電流的 范圍達到50~300A甚至更高?？紤]到操作工在汽車的整個生命周期中會不可避免地接觸發(fā)動機艙，高標準的防觸電保護需求是顯而易見的。此外，在如此高的功率下，電磁干擾是另一個重要問題。還有，在連接器插拔操作中會產(chǎn)生電弧，這會嚴重危害到電氣連接和電子設(shè)備，并且可能引起汽車燃燒。
隨著大容量鋰電池的出現(xiàn)，在一些案例中引發(fā)了危險的失效模式。此外，如何降低電池的重量和成本仍是一項難題：一方面，增加電動汽車的續(xù)航里程和電池的容量意味著每個元件的重量都要減輕；另一方面，由于新一代電動汽車牢牢地定位于大眾市場，經(jīng)濟性同樣扮演著極為重要的角色。而僅電池成本就可能高達數(shù)千歐元， 因此，降低汽車內(nèi)其他配置成本的壓力就更大了。
為了迎接這這所有的挑戰(zhàn)，F(xiàn)CI連接器公司的Power.S3系列的新型連接器和充電插頭產(chǎn)品在高功率操作、成本競爭力、耐久性、緊湊性、人體工學(xué)和人員安全方面做了最優(yōu)化的設(shè)計。，F(xiàn)CI連接器公司與REMA（REMA是一家制造電動叉車用插頭和插座的專業(yè)生產(chǎn)廠家）攜手合作，最先推出的合作成果是單相16/32A充電插頭和插座，符合SAE J1772和IEC62192-1標準：“慢充”電動汽車/混合動力汽車應(yīng)用方面的國際通用標準。這些產(chǎn)品用于在公共充電站或在家對汽車的鋰電池充電，充電時間為4~8h。
汽車領(lǐng)域仍然具有開拓性，對于工程師來說，要保證系統(tǒng)完全無故障地工作并不容易。這種針對性能的模擬和分析對于電動汽車和混合動力汽車的設(shè)計者來說是至關(guān)重要的。涉及這些新型汽車設(shè)計和制造的公司都處于快速上升的學(xué)習(xí)階段，而對于產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的性能，還有許多東西有待我們學(xué)習(xí)。
新型汽車電子系統(tǒng)的元器件解決方案(下)
