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安全环保 电子技术细微处改变汽车行业

行业聚焦点中国仪表网2009年01月04日 11:12人气:4455

   在汽车产业发展的带动下,我国的汽车电子市场迎头赶上,在国产轿车全球化进程开始的同时,相关汽车电子产品市场也开始兴起。预计未来几年,还会有众多高端汽车电子被植入国产汽车中,而各汽车厂商的电子竞赛也将愈演愈烈。在下一轮竞赛中,汽车电子扮演的作用将越来越重要,这也是推动中国汽车电子市场持续高速发展的直接动力之一。

    据赛迪顾问的预测,在2008年及未来几年内,中国汽车电子市场将在中国汽车产业发展及国产汽车产品升级的推动下保持快速的发展态势,预计到2012年,中国汽车电子市场规模将超过3200亿元。

图12008-2012年中国汽车电子市场规模与增长预测

    汽车更安全、更环保的发展方向不会改变

    目前,动力控制、底盘控制、安全系统、车身电控等产品的普及率已经很高,未来几年这些产品仍有不断向低端车普及的趋势,与这些成熟的产品相比,一些新的应用成为未来几年中国汽车电子市场的热点,如主动安全系统、汽车网络系统,以及GPS等车载信息系统等。从技术角度来看,这些产品的普及没有任何障碍,而随着产品成熟,其成本也在不断降低。接下来几年,随着国家法制法规不断完善、消费者安全意识不断提高、消费者舒适需求不断提升,以及相关网络和服务不断完善,这些新兴汽车电子产品将进入高速普及阶段。虽然这些产品的普及很难向EMS、ABS普及时那样使市场出现井喷式增长,但多样化产品的应用必将进一步刺激中国汽车电子市场的发展。

    未来几年,汽车更安全、更环保的发展方向不会改变,用于提高该方面性能的电子产品升级步伐也将持续,但整体来说,不会有太大的改变。相比之下,车身、车载电子市场的空间要更大一些:

    首先,车身、车载电子产品种类繁多,市场可拓展潜力巨大。与动力和底盘系统相比,车身、车载电子产品的可拓展性更强一些,因为其产品种类十分丰富,许多在3C领域应用的技术都可以移植到汽车中,如多媒体技术、网络技术等。?

    其次,车身、车载电子产品是未来消费需求的热点。车身、车载电子产品对改善汽车舒适性,提高汽车娱乐性起到很大的作用,而这也恰好迎合了消费者的需求。随着私人消费者的增加,这种对汽车动力以外的需求更为突出,这也使得车身、车载电子产品市场未来发展潜力十足。

    绿色环保将成为动力传动市场MCU发展的主要驱动力

    根据J.D.PowerandAssociates的统计,全球共计拥有8.2亿辆车辆,每辆车平均每年排放4吨二氧化碳,排放总量高达33亿吨。二氧化碳时主要的温室气体,也是导致全球升温的温室消音的罪魁祸首。仅在美国,二氧化碳就占所有温室气体排放量的80%。

    为此,各国和地区将逐步严格汽车排放的规定。汽车厂商也有意引入混合动力和直喷式汽油机,用电子控制代替液压控制。这些都将成为动力传动系统迈向更高段MCU的驱动因素。“动力传动系统用MCU正处在从16位向32位演变的阶段,”飞思卡尔亚太区汽车电子市场与系统应用经理BerndRucha表示:“因为汽车电子面临的是更严格的排放要求。”除了排放要求,动力传动系统中的MCU承担的工作负荷也在增加。今后汽车将采用更强大的引擎管理器系统,MCU需要不断地检查传感器和执行器,计算处理更为复杂。

    四气缸的经济高效的引擎设计,在中国和印度等亚洲市场已变得普及起来。在这些市场,政府法规已经开始要求汽车制造商生产更经济高效的引擎来减少废气排放。这给动力传动系统带来了新的机遇,特别是在2~4缸的小型引擎应用领域。Bernd认为这些领域的MCU性能需要进一步提升,但是成本也需得到有效控制。

    虽然当前在中国等新兴市场16位MCU占据动力总成控制市场的主流,但是飞思卡尔最近推出的MPC563xM系列正在一定程度上加快了32位MCU拓展的步伐。MPC563xM是飞思卡尔自2006年1月启动与STMicroelectronics的联合开发项目后,所生产的第一批汽车产品,ST还提供结构上相似的双源产品。它包括3个32位动力总成MCU,采用了飞思卡尔著名的PowerArchitecture技术,增强了动力总成的功能,如片上排放控制等,而且还满足了引擎和变速箱供应商的成本限制。

    MPC563xM由1.5MB的闪存、81KB的SRAM和能扩展为80MHz的PowerArchitecture内核组成。其特点是增加了芯片减震系统,实现减少相同燃油量3-5%的二氧化碳排放。芯片减震系统直接将检测油箱爆震的传感器连接到563xM上,片上增益和传感器偏差可变,不再需要有源外部组件。另外,作为飞思卡尔MCU的特点之一,eTPU(可编程的增强型定时处理单元)在系统中分担了CPU的部分工作,包括引擎的简单控制等,而CPU负责火花控制等功耗更大的处理。

    为了控制成本,增加MPC563xM系列的性价比,MPC563xM是飞思卡尔第一个带QFP(四边扁平封装)选项的动力总成器件系列,使开发更简单、成本更低。QFP包含看得见的引脚,不需要采用费用高昂的红外线和X射线检测技术,因而使封装的安装、检测和修理变得更方便、便宜。此外,MPC563xM器件软件与飞思卡尔现有的MPC55xx系列兼容,支持代码共享,有助于降低汽车制造商的开发成本。

    汽车电子于细微处改变汽车行业

    2008年汽车电子行业的新趋势将集中在减排、舒适与安全等领域,汽车对电子设备的需求依然在增长,同时会出现架构更加复杂的组合电子设备。另一个面向未来的重要趋势是全球市场对LIN、CAN、FlexRay等车载网络的需求持续增长。

    绿色环保也已成为汽车电子领域的热点话题。恩智浦半导体汽车电子和智能识别产品大中华区高级市场总监张焕麟认为,最终改变汽车行业的不是豪华气派的车身和时尚潮流的色彩,而是用于车轮、底盘及仪表板的那些微小的电子测量、控制和驱动元件。恩智浦将电子技术实现绿色环保的关键领域分为三部分,无论哪一部分,传感器均功不可没。

    胎压:驾驶时,轮胎适当充气不仅具有重要的安全意义,而且还可以节约燃料。由于胎压不足,每天有四百万加仑的燃料白白浪费掉。胎压监测传感器正日益成为新型汽车的标准配置。

    车载网络:一辆典型的新型汽车有多达一百个电子控制模块(如ABS、ESP、自动车窗、为儿童设计的后座娱乐系统等等),所有模块都通过铜线实现相互通信。用于宝马新款X5的FlexRay网络及类似技术通过单个总线系统来运行,完全摒弃了铜线,从而使车体重量大幅减轻,平均减少100到200磅(即50至100公斤,约为一个普通成年人的体重),并将每箱燃料的行驶里程增加五英里。如果将此技术应用于全球所有车辆,每年可减少向大气排放1500万吨的二氧化碳。

    引擎:油箱中燃料所生成的75%的能量会因引擎和动力传动系统的低效及空转而损失掉。当今汽车的电子控制单元(ECU)可实现控制和提供实时信息,以便计算机操控引擎的排量状态。ECU可读取位于引擎曲轴和凸轮轴处的传感器,从而调节燃料流量和相应进气量,甚至可调整各种转速及引擎负荷情况下的打火时间。在引擎内部的恶劣条件下,对耐高温精密测量系统的设计是极为复杂的,不过一旦应用此系统即可显著节约燃料。

    恩智浦半导体汽车电子和智能识别产品大中华区高级市场总监张焕麟

    张焕麟表示,恩智浦是汽车行业的趋势设定者,对下一步能够横扫市场的创新有着良好的认知,并深知汽车行业应在何时做好准备,支持车载连接性解决方案等创新之举。未来的汽车将比如今拥有更多的功能,无线USB就是一个很好的例子,它为车载电子产品之间的数据传输提供了最简便的途径,例如可以从中控面板向后坐娱乐系统传输数据。

    迄今恩智浦的产品已经获得诸多重要产品市场的采用,如业内第一款FlexRay收发器已应用于宝马5系汽车,PNX9520车载媒体处理器已经在Delphi为克莱斯勒开发的Sirius后坐娱乐系统中得到部署。今后还会有更多的新产品不断面市。

    2008年,恩智浦将特别专注于以下领域:

    ——Sirius后座娱乐系统

    ——与ibiquity合作推出车载多标准数字地面收音机

    ——与BMWResearch合作研发基于NFC的汽车钥匙

    ——FlexRay

    ——数字收音机

    ——放大器

    ——车载电视接收

    ——连接性

    ——车载网络(IVN)

    ——汽车钥匙创新

    ——磁阻传感器

    功率器件提高系统架构整体功能

    由于汽车系统的复杂性不断增加,控制需要更高级别的集成度。带有高效功能划分的系统架构已成为业界一致追求的目标。功率器件现在包含许多保护和控制功能,并可在单个封装中集成多个晶片,以便综合多种硅技术的优点,从而提高整体功能性,最大限度地降低成本。现今车载系统的可制造性主要由元件级实现的功能性集成决定。在未来6年中,随着许多应用的成熟和扩展,汽车电子含量预计每年将会以8%至10%的速度增长。这些应用将需要功能性集成元件,尤其是在功率管理及控制领域。

    “市场对车载应用功率产品的要求正在全方位扩展,”飞兆半导体高级技术经理张三岭告诉记者:“0V到600V的功率器件正被广泛运用于现今各类车辆中。”对于动力转向和刹车等应用,研发工程师正在寻找低导通阻抗的高性能低压沟道型MOSET,以降低车辆的功耗。其它应用,比如压电喷射或高强度照明,需要100V到200V的功率器件和驱动器。最后,点火IGBT和混合动力车辆采用300V到1000V以上的IGBT。

    张三岭介绍说,飞兆半导体提供的系列汽车电子方案包括分离功率器件和功率模拟器件,主要用于动力传动、底盘、车体和便利性应用等的系统功率优化,专注应用领域包括点火、直接燃油喷射、螺线管控制、继电器替换、电机控制及照明。2008年,飞兆半导体将针对从动力传动控制到车体电子和底盘等广泛应用推出新的智能高边开关、栅极驱动器IC和智能功率模块,继续拓宽其车载功能性功率产品业务。

  飞兆半导体高级技术经理张三岭

    对于中国市场,张三岭认为中国本土汽车市场不断扩大为汽车电子,尤其是功率领域带来了大量发展商机。鉴于汽车市场持续的价格压力,将需要越来越多的本土厂商加入到这一市场来。此外,消费者对那些能够提升舒适性和便利性功能的需求也日益增长,进一步推动了汽车市场中电子系统的发展,增长最快的系统包括动力传动和车身电子。

    非易失性FPGA可靠性的竞争力正在提高

    传统意义上,汽车工程师一直依赖于微控制器(MCU)和ASIC产品来实现和控制汽车上的电子系统,以及扩展每一代汽车电子的功能。现在,随着部件数目越来越多、产品快速推出市场的压力越来越大,以及对性能的要求越来越高,加上价格要合理、设计风险要低,许多设计人员开始转向FPGA,作为面向下一代汽车电子设计的低成本解决方案。

    根据市场研究机构GartnerDataquest的估计,全球汽车半导体市场规模将从2007年的201亿美元增长到2010年的295亿美元。随着动力传动系统和排放标准(比如混合动力、电动和柴油车)的发展,车载信息通讯系统、安全和控制及舒适性功能日益普及,在未来三年,汽车FPGA的总市场容量(TAM)将从9,300万美元增长到3.12亿美元。

    Actel公司高可靠性产品总监KenO’Neill坦诚:“FPGA要争取这个总市场容量还要看个别的结构如何达到应用的要求。”例如,在汽车电子行业,质量、可靠性和零瑕疵是最重要的问题,特别是在核心汽车系统中所用的半导体,如引擎控制模块、动力传动、车体电子和安全系统,并不能够出现故障或失效。这些因素加上不断改变的技术标准、产品过时问题、更大的推出市场压力和提升性能的需求,正推动许多汽车设计者转向非易失性的FPG。

    非易失性FPGA提供更低的功耗,有助于缓减以SRAM为基础FPGA常见的电子转移和散热可靠性的问题。基于SRAM的FPGA器件的功耗和热耗散大,而额外的功率管理和冷却措施会大幅增加其器件成本。这一点非常重要,因为高功耗和其它相关的热问题会限制器件的使用寿命,特别是在要求严苛的引擎盖应用下。

    Ken指出,也许更重要的是,非易失性FPGA不会因中子和阿尔法离子诱发SRAM配置扰乱而产生逻辑错误。Actel基于Flash的FPGA独特地采用了片上Flash内存来实现开关控制,使到该系列产品具有固件错误免疫能力;这是向着零瑕疵发展产业的强制性要求。相反地,基于SRAM的FPGA配置数据容易由于中子诱引而产生错误;这种错误会以不可预测的方式改变逻辑、布线或I/O的行为。对于关键性的汽车应用,如动力系统、安全系统和车载信息通讯系统,这种逻辑错误有着重大的隐忧,因为以SRAM为基础FPGA的FIT故障率通常已超出业界可接受的规范指标好几个量级。

    举例说,对于采用0.22微米技术的100万门密度SRAMFPGA来实现的乘客传感器或安全气囊控制器来说,预计的配置扰乱故障率为4,375个FIT。如果这样的安全系统被用在500,000辆汽车上,那么总的预计故障率将达到每天52.5起,即在群体中每27.4分钟便会发生一次扰乱故障。由于这些故障都是SRAM配置内存中发生的固件错误,由此产生的逻辑错误只能在SRAMFPGA重新加载后才能消除。

    如果SRAMFPGA技术这种易于发生的固件错误广泛传播开来,代价将会如何?首先,由于现有的检测技术无法防止已破坏的数据进入系统,因此需要新的高质量评测系统来检查系统的固件错误。此外,针对已经发生故障的FPGA(在目前的SRAMFPGA中不可能防止这些错误)进行固件错误检测和纠正的机制会给系统设计增加额外的复杂性,而且大幅增加板卡面积和部件数目。

    以Flash为基础的解决方案具备固有的优势可应对相关的市场风险,因此,Actel会继续在汽车应用中专注于其它创新以Flash为基础系统的优势,包括混合信号ActelFusion可编程系统芯片或超低功耗IGLOO器件。

 

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