- 元器件在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的應(yīng)用
- 新興需求為元器件市場(chǎng)帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
- 元器件在汽車(chē)安全系統(tǒng)中的作用
- 車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用
- 新能源汽車(chē)引領(lǐng)高壓連接器潮流
未來(lái)的汽車(chē)電子系統(tǒng)中，隨著對(duì)安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂(lè)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(zhǎng)。諸多汽車(chē)電子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要從元器件層面就開(kāi)始考慮解決方案。本期半月談圍繞這個(gè)話題，介紹新型傳感器、保護(hù)器件、高壓連接器在汽車(chē)動(dòng)力控制、安全系統(tǒng)、通信娛樂(lè)、充放電系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。
汽車(chē)電子的技術(shù)升級(jí)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(chē)電子和人們的日常生活緊密相關(guān)，尤其在歐美這些以車(chē)代步的國(guó)家，汽車(chē)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(chǎng)如中國(guó)、印度，汽車(chē)市場(chǎng)飛速增長(zhǎng)，據(jù)最新報(bào)道，深圳的汽車(chē)保有量剛剛突破170萬(wàn)輛，成為汽車(chē)密度最高的內(nèi)地城市?？梢钥闯鲈絹?lái)越多家庭有了購(gòu)車(chē)的需求，從而推動(dòng)了汽車(chē)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(guó)汽車(chē)電子銷(xiāo)售額將從2009年的160億美元增長(zhǎng)到206億美元。而2012年美國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)將為205億美元，屆時(shí)第一的位置將讓給中國(guó)。
汽車(chē)有多個(gè)子系統(tǒng)，構(gòu)成非常復(fù)雜。每個(gè)子系統(tǒng)都離不開(kāi)大量的汽車(chē)電子產(chǎn)品——當(dāng)然，不同級(jí)別的汽車(chē)使用汽車(chē)電子的數(shù)量不盡相同。例如目前中國(guó)市場(chǎng)的主流汽車(chē)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(hù)、剎車(chē)和控制系統(tǒng)以及舒適方便。
隨著市場(chǎng)的升級(jí)，未來(lái)汽車(chē)電子的應(yīng)用熱點(diǎn)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(lì)器、集成汽車(chē)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(lái)分析這些新興的需求為元器件市場(chǎng)帶來(lái)了哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
元器件在汽車(chē)安全系統(tǒng)中的作用
安全性是汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的第一要素。新的行車(chē)安全離不開(kāi)穩(wěn)定的引擎管理系統(tǒng)，而傳感器件作為汽車(chē)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(chē)安全方面，及時(shí)檢測(cè)引擎溫度是非常重要的一環(huán)。在檢測(cè)的同時(shí)，還必須確?？煽啃院褪褂脡勖DK最新的傳感器重量?jī)H為傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的50%，但在保障溫度檢測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)，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(shí)間和精確度，有利于測(cè)量汽車(chē)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(chē)在起停等常規(guī)操作中，會(huì)受到電氣干擾和高頻影響，產(chǎn)生干擾。通過(guò)配線系統(tǒng)傳導(dǎo)，最終耦合或以輻射方式干擾到車(chē)載電子設(shè)備。干擾源包括啟動(dòng)系統(tǒng)、交流電機(jī)、負(fù)載切換、開(kāi)關(guān)抖動(dòng)以及“拋負(fù)載”(即直流電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(fù)載”，發(fā)生在引擎正在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，在交流電機(jī)正在給電池充電時(shí)斷開(kāi)電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開(kāi)連接時(shí)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和場(chǎng)激勵(lì)的大小。這一浪涌過(guò)程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對(duì)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(duì)安全造成極大隱患。
PPTC保護(hù)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(lái)應(yīng)用于電源直流輸出端的過(guò)載和短路保護(hù)。泰科電子瑞侃的PolySwitch產(chǎn)品能夠?yàn)殡娫?、RXE輸入/輸出接口提供保護(hù)，也能實(shí)現(xiàn)過(guò)熱、電機(jī)失速等保護(hù)。
除了PPTC器件，MOSFET也能起到類似的保護(hù)。不過(guò)， MOSFET除了具有高頻率性能、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)之外，還能使功率組件更符合最低的系統(tǒng)成本，藉以達(dá)到更為優(yōu)異的故障自我保護(hù)系統(tǒng)。因此，大部分的設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而采用具有保護(hù)作用的MOSFET功率組件來(lái)完成。[page]
車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中半導(dǎo)體元器件的應(yīng)用
信息娛樂(lè)設(shè)備也容易因?yàn)檫^(guò)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(hù)器件、金屬氧化物變阻器(MOV)和齊納二極管來(lái)保護(hù)汽車(chē)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(pán)驅(qū)動(dòng)器以及輸入/輸出端口和觸摸屏。
車(chē)內(nèi)充電的便攜設(shè)備對(duì)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)的需求很大，泰科電子的 PolyZen 器件能夠滿足保護(hù)需要。這種器件與類似于齊納二極管的保護(hù)器件一起使用時(shí)，具有協(xié)同保護(hù)的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。
車(chē)內(nèi)的高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護(hù)器件，盡量保持信號(hào)質(zhì)量不會(huì)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(wú)線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無(wú)數(shù)次的ESD瞬變電壓。
PPTC電路保護(hù)器件在車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)中一樣得到了廣泛的采用。它作為一種實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，起到了過(guò)流和或過(guò)熱保護(hù)的作用。在GPS、DVD或者收音機(jī)和汽車(chē)通訊信息系統(tǒng)(telematics)的電路板中，也常常用它來(lái)限制電流。
新能源汽車(chē)引領(lǐng)高壓連接器潮流
快速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(chē)制造商正在嘗試不同方法以實(shí)現(xiàn)低排量或零排量的目標(biāo)，由此也將進(jìn)一步提高對(duì)連接器供應(yīng)商的要求。這些要求有一個(gè)共性，即在滿足不同程度的安全及人身保護(hù)要求的同時(shí)，不斷降低成本，減小重量和體積。同時(shí)，制造商不會(huì)放棄現(xiàn)代消費(fèi)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(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)上有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。新推出的Power.S3系列是專為新一代充電電池驅(qū)動(dòng)的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。
使用大容量鋰電池是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)多樣化選擇的一個(gè)共同點(diǎn)。鋰電池工作電壓的范圍為400~600V。這至少是傳統(tǒng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)14V鉛酸電池的10倍以上，因此FCI連接器公司開(kāi)發(fā)了應(yīng)用專門(mén)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(wèn)題。其中，最首要的就是安全問(wèn)題，因?yàn)樾碌倪B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(dá)到50~300A甚至更高?？紤]到操作工在汽車(chē)的整個(gè)生命周期中會(huì)不可避免地接觸發(fā)動(dòng)機(jī)艙，高標(biāo)準(zhǔn)的防觸電保護(hù)需求是顯而易見(jiàn)的。此外，在如此高的功率下，電磁干擾是另一個(gè)重要問(wèn)題。還有，在連接器插拔操作中會(huì)產(chǎn)生電弧，這會(huì)嚴(yán)重危害到電氣連接和電子設(shè)備，并且可能引起汽車(chē)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(xiǎn)的失效模式。此外，如何降低電池的重量和成本仍是一項(xiàng)難題：一方面，增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和電池的容量意味著每個(gè)元件的重量都要減輕；另一方面，由于新一代電動(dòng)汽車(chē)?yán)卫蔚囟ㄎ挥诖蟊娛袌?chǎng)，經(jīng)濟(jì)性同樣扮演著極為重要的角色。而僅電池成本就可能高達(dá)數(shù)千歐元， 因此，降低汽車(chē)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(jìng)爭(zhēng)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(jì)。，F(xiàn)CI連接器公司與REMA（REMA是一家制造電動(dòng)叉車(chē)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(biāo)準(zhǔn)：“慢充”電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用方面的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品用于在公共充電站或在家對(duì)汽車(chē)的鋰電池充電，充電時(shí)間為4~8h。
汽車(chē)領(lǐng)域仍然具有開(kāi)拓性，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，要保證系統(tǒng)完全無(wú)故障地工作并不容易。這種針對(duì)性能的模擬和分析對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。涉及這些新型汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造的公司都處于快速上升的學(xué)習(xí)階段，而對(duì)于產(chǎn)品在實(shí)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(chē)電子系統(tǒng)的元器件解決方案(下)
