- 元器件在汽車電子系統(tǒng)中的應用
- 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)中半導體元器件的應用
- 新能源汽車引領高壓連接器潮流
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。諸多汽車電子領域的設計挑戰(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)等方面的應用。
汽車電子的技術升級速度和其他應用領域如工控、醫(yī)療相比是相當快的，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，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的廣泛應用和發(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)成非常復雜。每個子系統(tǒng)都離不開大量的汽車電子產(chǎn)品——當然，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性，從而優(yōu)化反應時間和精確度，有利于測量汽車油溫和冷卻液溫度。另外反應快、適應范圍廣也是該產(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，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設備。干擾源包括啟動系統(tǒng)、交流電機、負載切換、開關抖動以及“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位的聚合物正溫度系數(shù)器件，一直以來應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)中半導體元器件的應用
信息娛樂設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。選用的器件應當適合高速數(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)大批高壓連接器應用，這些應用新穎、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、人體工學和人員安全方面做了最優(yōu)化的設計。，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計者來說是至關重要的。涉及這些新型汽車設計和制造的公司都處于快速上升的學習階段，而對于產(chǎn)品在實際應用中的性能，還有許多東西有待我們學習。
新型汽車電子系統(tǒng)的元器件解決方案(下)
