近年來，在市場增長和消費者購車習慣轉變的推動下，汽車制造商越來越趨向于采用更復雜的電子元器件來增加新的舒適/使得功能，同時致力于節(jié)能減排以配合更嚴格排放法規(guī)需求。身為應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供應商，安森美半導體積極推出強固及創(chuàng)新的高能效汽車解決方案，減少廢氣排放，提高燃油經濟性、增強動力系統(tǒng)、照明、安全、車載網絡和信息娛樂系統(tǒng)的性能和可靠性。
汽車電子發(fā)展趨勢
從總體上看，平均每輛汽車中的半導體成分在增高。其中北美、歐洲和日韓等傳統(tǒng)汽車市場的平均每輛汽車半導體成分是中國汽車的2倍，另一方面，這也顯示出中國等新興市場的汽車電子發(fā)展空間非常廣闊。
在各類汽車應用市場中，動力系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)等尤為引人注目。其中，在汽車動力系統(tǒng)方面，目前存在由相同目標推動的兩個重要趨勢：高能效及更清潔的汽車。世界各國政府機構正在推動相關提案及法規(guī)，迫使汽車OEM設法減少燃油消耗及廢氣(二氧化碳、NOx等)排放。工程師們需要極具創(chuàng)意，使內燃發(fā)動機(ICE)汽車提供更佳的燃油經濟性；讓新一代混合動力及電動汽車更加節(jié)能。
上述趨勢有賴于電子電路來配合開發(fā)更清潔及更高能效的汽車。從半導體的角度看，標準內燃發(fā)動機汽車與混合動力汽車的動力系統(tǒng)估計的半導體成分之比為1:5。從內燃發(fā)動機轉向使用電動機將提升汽車的燃油經濟性，因為汽車將使用電力來驅動。由于石油價格及高性價比電池技術及基礎設施的就緒等因素，預計約在2025年汽車內燃發(fā)動機將大規(guī)模轉向電動機。
與此同時，內燃發(fā)動機汽車將繼續(xù)提升能效，但一鍵啟動/停止交流發(fā)電機系統(tǒng)、更智能的噴射驅動器IC等某些附加技術將有賴于更精確的傳感器信號和汽車工程師更深入的系統(tǒng)專長。發(fā)動機尺寸的減小將以更智能的渦輪增壓技術予以補償。最終，部分或完全混合設計的汽車將幫助提升加速時的發(fā)動機能效，以電動力替代通常相當耗油的熱動力。
車載信息娛樂應用方面的挑戰(zhàn)是整車企業(yè)必須考慮如何將更多的軟件和硬件內嵌到汽車之內，把汽車變成一個新的移動設備；還要用集成實現(xiàn)最小化，集中精力實現(xiàn)的汽車與其他設備之間的最好聯(lián)通，如手機、智能電話以及其他的消費電子設備。而且對于車載信息娛樂系統(tǒng)而言，集成的功能越來越多，如可能包括導航系統(tǒng)、AM/FM收音機和CD/DVD播放、衛(wèi)星廣播等，使系統(tǒng)的復雜度越來越高，且對電源的要求也在提高。例如，汽車信息娛樂系統(tǒng)電源既要求低電流——為微控制器(MCU)及傳感器供電(5 V、3.3 V，電流10～100 mA)，也需要大電流——為高性能處理器(DSP)及USB供電(5 V、3.3 V、1.2 V，電流0～3 A)；而LED背光需要電壓12 V、電流低于1 A供電，其它設備(天線、風扇、電機、VFD顯示屏驅動等)還有其它電壓要求。
安森美半導體配合新趨勢的動力控制及車載娛樂解決方案
1. 動力控制方案
FlexRay™是車載網絡(IVN)應用快速興起的一項標準，正在替代當前基于控制器區(qū)域網絡(CAN)及本地互連網絡(LIN)的系統(tǒng)，數據傳輸速率提升了一個數量級，而且可靠性更高，使下一代汽車能夠應用更先進的安全、動力系統(tǒng)及舒適機制。
安森美半導體擴充了汽車網絡產品陣容，推出了一款符合業(yè)界最新采用的FlexRay™ 通信協(xié)議的總線收發(fā)器IC——NCV7381。該器件是一款極強固的單通道器件，能夠提供高達10 Mbps的數據傳輸速率。這新器件完全遵從FlexRay™電氣物理層規(guī)范3.0.1版，在有線FlexRay™通信介質及協(xié)定控制器/主機之間提供差分傳送及接收能力。NCV7381的模式控制功能經過了優(yōu)化，用于持續(xù)連接至汽車電池的節(jié)點。這器件提供低能耗工作及配合遠程喚醒檢測的低能耗模式接收器。NCV7381能夠采用5.5伏(V)至50 V電池供電電壓工作，可以集成在12 V及24 V汽車電源系統(tǒng)中。它在完整頻率范圍內提供優(yōu)異的電磁耐受性(EMS)性能。
圖1：NCV7381典型應用電路圖。
此外，多年來，安森美半導體已成為汽車點火領域公認的領先供應商，可提供強固及可靠的絕緣門雙極晶體管(IGBT)系列。為了持續(xù)加強該系列器件的性能，安森美半導體新近推出的第三代點火IGBT——NGB15N41A性能極佳，而且尺寸更小。隨著最新收購而添增的三洋半導體分部，安森美半導體用于點火應用的IGBT陣容進一步擴大。除了已有的系列IGBT器件，公司還在規(guī)劃一款用于點火應用的高集成度器件。該產品將IGBT功率器件與控制器集成在單個封裝中，可以用于筆形線圈點火應用。
此外，安森美半導體還將推出能夠在動力系統(tǒng)應用中驅動泵、散熱風扇或節(jié)氣閥的系列無刷直流(BLDC)電機驅動器(LV9901)，還有將控制器和電源段集成在單個功率封裝中(某種微型模塊)的模塊化封裝系列。今年5月，安森美半導體在歐洲的PCIM展會上展示了智能功率模塊(IPM)。結合公司的絕緣金屬基板技術(IMST)與寬廣的電源方案系列，以及在高能效電源管理的悠久專長和技術，安森美半導體提供創(chuàng)新的智能功率模塊系列和電源變頻器以及設計支持和制造能力。這些IPM方案性價比高，能夠用于太陽能供電及電動汽車等應用。
安森美半導體提供300 W至5 kW功率范圍的寬廣陣容高能效功率模塊，可配合廣泛的客戶應用，包括變頻器、升壓驅動器及電機驅動器。客戶采用集成了多種內置特性及智能功能的緊湊設計及小巧尺寸，能夠簡化設計，節(jié)省電路板空間，提升可靠性，同時減少其終端產品的元器件數量和總成本。
2. 信息娛樂系統(tǒng)方案
安森美半導體提供各種應用于信息娛樂系統(tǒng)電源的產品，概括起來主要有以下幾類。一類是線性穩(wěn)壓器(LDO)，用于電池及后級穩(wěn)壓，具有標準/低靜態(tài)電流、高電源抑制比(PSRR)/超低靜態(tài)電流，以及跟蹤器和電流檢測功能；第二類是豐富的開關電源(SMPS)產品，用于降壓及升壓控制器/穩(wěn)壓器，采用同步/非同步拓撲結構，提供高頻、低靜態(tài)電流和電池及后級穩(wěn)壓；第三類是電源管理單元(PMU)，以更高集成度優(yōu)化了尺寸/性能。這些產品都符合下一代尺寸及能效要求。
例如，安森美半導體新推的兩款低壓降穩(wěn)壓器(LDO)IC——NCV47700和NCV47701非常適合汽車音響及信息娛樂系統(tǒng)、儀表盤、導航及衛(wèi)星廣播等應用。這些器件包含輸出診斷引腳CSO，可以用于檢測負載開路及短路事件。兩款器件使用1顆電阻來連接CSO引腳，提供介于10 mA與350 mA之間的可調節(jié)輸出電流電平，且精確度達±10%。
安森美半導體還推出了新系列開關穩(wěn)壓穩(wěn)壓器，包括NCV890100、NCV890101、NCV890130、NCV890131、NCV890200、NCV890201及NCV890231等，用于空間受限、對電磁兼容性(EMC)敏感的汽車娛樂及信息娛樂應用。這些高集成度器件為連接電池的開關電源提供了業(yè)界領先的轉換比。每款器件均包含內部電源開關，采用2 MHz頻率工作。高達2 MHz的開關頻率支持在輸入及輸出濾波器中使用尺寸更小、成本更低的電感及電容。
圖2：NCP890201產品應用示意圖。
除了信息娛樂系統(tǒng)電源方案，安森美半導體還能為信息娛樂系統(tǒng)市場提供音頻數字信號處理器(DSP)、CD DSP、模擬及數字調諧器、無線數據廣播系統(tǒng)(RDS)接收器、A/B類放大器及小尺寸LCD顯示屏驅動器等元器件。
引領新能源汽車趨勢
雖然電動汽車面對著經濟性方面的電池價格、技術性方面的電池化學特性不夠穩(wěn)定，以及人們每天平均駕駛里程的自主度等方面的挑戰(zhàn)，但轉向使用電動機的電動汽車是一個必然的趨勢。
從半導體角度來看，能夠支持更高電壓(250至400 V電池電壓而非12/24 V)及更大電流元器件的電源將是一個很大的挑戰(zhàn)。市場上符合汽車標準的功率元器件供應商數量并不太多。如今使用的大多數元器件來自于工業(yè)或白色家電等其它行業(yè)，在技術上并未針對汽車行業(yè)應用進行完全優(yōu)化，價格方面亦然。
安森美半導體正在開發(fā)新系列的專用IGBT和MOSFET，以符合這一市場的嚴格要求。安森美半導體的絕緣金屬底板技術(IMST)能力能夠應對上述挑戰(zhàn)，將多個功率元器件集成到更小及更高熱效率的封裝(多芯片功率模塊)中，以新技術幫助業(yè)界轉向電動汽車領域。
除了用于主電動機的高壓DC-DC轉換器的挑戰(zhàn)外以外，另一挑戰(zhàn)在于開發(fā)用于電動助力轉向(EPS)、汽車空調(HVAC)及泵等某些電動化應用的專用元器件。安森美半導體也在開發(fā)新的元器件和電源穩(wěn)壓器，旨在將這些模塊用于高壓網絡。
而電動汽車充電電池方面迄今仍沒有標準，多家公司在提供電池監(jiān)控/電池單元均衡IC。安森美半導體決定開發(fā)用于這類應用的知識產權(IP)，以及專門電池架構的專用元器件，為OEM和關鍵客戶提供ASIC服務。
中國的“十二五”規(guī)劃將新能源汽車列為七大領域的重點發(fā)展方向。毫無疑問，中國汽車廠商和國外廠商一樣面對著汽車相關標準不斷細化、嚴格化的挑戰(zhàn)。安森美半導體積極服務中國市場，為中國本地關鍵客戶及OEM提供技術應用支持。目前，安森美半導體的上海汽車解決方案工程中心擁有10名應用支援專家，并在華北(長春)和深圳設有技術辦事處。
我們已見汽車電子相關標準體現(xiàn)在汽車排放、油耗等方面，但如今也看到諸多安全(翻滾測試、碰撞測試、剎車距離等)方面的標準。還有一些適用于半導體器件的標準。AECQ100就是其中最著名的一項標準，此外還有TS16949，都是汽車半導體公司必須遵循的標準。安森美半導體遵從所有這些標準，甚至致力于超越零事故的終極目標(即汽車因電子電路損壞而造成的汽車返修率為零)。
西方汽車制造商已經決定引入與電子功能安全相關的新安全標準(ISO26262)。這標準將影響整個汽車行業(yè)。半導體行業(yè)也將必須適應此標準。安森美半導體已經在新產品開發(fā)中立即遵從此標準，并調配資源及開發(fā)方法來達到此要求。
因此，問題不在于“怎樣面對汽車電子相關標準的不斷細化、嚴格化的挑戰(zhàn)”，而是在于“怎樣開發(fā)以符合甚至超越使用電子及半導體技術的安全、生態(tài)及駕駛動力方面的汽車性能要求”。
總結
汽車制造商越來越趨向于以更先進的電子元器件實現(xiàn)新功能或加強功能，以提高品牌聲譽和競爭差異性，讓消費者體驗更安全和舒適，他們因而要在汽車中采用更先進的電子元器件。安森美半導體身為應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供應商，正在利用不斷推出的新產品，幫助汽車制造商改進汽車動力系統(tǒng)、照明及電源/電源管理(含車載信息娛樂系統(tǒng))應用，符合更高的質量標準，推動新能源汽車的發(fā)展，減少污染，節(jié)省能源。