發布日期：2022-07-14 點擊率：78
更安全、更舒適、更環保的汽車的設想一直是汽車OEM廠商、汽車電子系統廠商,以及汽車半導體廠商創新的驅動力。半導體器件提供的更具有成本效益和更大的靈活性的系統解決方案使其成為汽車OEM廠商和汽車電子系統廠商的首選。
目前,中國市場汽車半導體的主要應用集中在引擎控制、安全氣囊、無鑰進入、音響、電動助力方向盤、儀表盤和車身電子上。在這些領域中,微控制器(MCU)、GPS芯片、電源管理芯片,以及FPGA器件的大規模應用,將引領汽車半導體市場走上持續發展的快車道,成為汽車半導體產業的四座“金礦”!
性能日臻完善,MCU即將引燃汽車嵌入式應用市場
“汽車嵌入式應用市場將由MCU、模擬IC和功率半導體器件點燃,MCU首當其沖?！?a title="Microchip環球官網" href="http://www.52gongw.cn/brand/more.php?itemid=2876" target="_blank">Microchip Technology全球汽車電子市場總監Willie Fitzgerald如是說。據CCW Research最新研究報告顯示,2007年至2010年間,中國汽車MCU市場銷售額的年度復合增長率將超過30%,預計2007年市場銷售額將超過20億元,2009年市場銷售額將接近40億元,2010年市場銷售額將超過50億元,同比增長率將達到29.3%。其中,發動機電子控制系統(EMS)和汽車音響系統將是兩大熱點應用領域。
根據2006年的數據顯示,發動機電子控制系統所用MCU已占到總體市場份額的25.3%。瑞薩科技汽車電子市場中心總經理堀田慎吉指出:“使用汽車電子技術提高汽車性能目前已經從原先的從外圍設備著手發展到從核心問題著手,也就是減少尾氣中的有害物質、節省燃料、提高汽車安全性能等?！睂崿F精密的引擎控制、最優化的傳動系統齒輪要求MCU具有很高的性能。目前,瑞薩正在開發內置有200MHz 32位SH-2A CPU的引擎控制、傳動系統用MCU。目前正在向很多汽車電子廠商供應樣品,并將于2010年起搭載在汽車上。同時,更低功耗、更高性能,且搭載有多個SH-2A CPU的MCU產品也在開發當中。隨著國Ⅲ排放標準的部署,能滿足此種排放標準控制精度的高端微控制器必將成為汽車MCU廠商逐鹿中國市場的“利器”。
目前在中國,有接近三分之一的汽車電子工程師正致力于汽車信息娛樂系統的開發,這無疑證明汽車音響依然是一個值得汽車MCU廠商關注的火熱市場。根據2006年的數據顯示,汽車音響所用MCU占總體市場份額達到了22.3%。NEC電子抓住了這一市場契機,推出了針對當前市場越來越多的對壓縮格式音樂媒體(MP3、WMA、AAC)需求而設計的汽車音響最新解決方案。該方案中,NEC引用了一款音響專用芯片——被譽為“Audio Engine”的μPD63901,它采用了CPU+DSP的雙核結構,具有對MP3、WMA、AAC等解碼的功能,并且提供了USB的連接性,可以支持USB存儲器、可攜式播放器、iPod連接等,適合于要求USB連接功能的汽車音響系統。
圖1:基于NEC μPD63901的汽車音響系統解決方案。
隨著汽車娛樂功能的不斷擴充與完善,原先單一的汽車音響系統逐步走向影音娛樂與信息一體化的融合。之前僅僅依賴MCU就能實現的汽車娛樂功能已經遠遠不能滿足下一代汽車信息娛樂系統的需求。因此,為了滿足對處理能力的更高要求、接口的多樣性,以及靈活的數字化控制需求,具有高速數字信號處理能力的DSP成了與MCU并肩作戰的不二人選。DSP通常執行計算密集的算法,MCU則負責接口、網絡控制等功能,兩者集成入單芯片實現分工協作。采用這種“混合”芯片,不但可以降低系統成本和功耗,還可大幅度提高工作效率和性能。恩智浦半導體汽車電子和智能識別產品大中華區高級市場總監張煥麟指出,車載信息娛樂系統將逐步從模擬過渡到數字平臺,如汽車收音機正在從模擬信號處理器向DSP轉變,實現高清電臺、DAB/DRM和XM & Sirrus衛星電臺等數字廣播。越來越多具有音頻和視頻功能的多媒體產品將被投放市場。恩智浦此類地面數字廣播解決方案已經實現應用,并發布了可以支持不同音頻/視頻播放標準的PNX9520多媒體處理器。
市場需求對車用MCU集成度的要求進一步提高,這無疑給用戶帶來了福音。更高性能的MCU的問世不但減少了外圍電路及PCB的尺寸,還縮短了開發周期,降低了系統成本。但不可否認的是,同時這也給汽車半導體廠商帶來了更為嚴峻的挑戰——即必須開發出更多MCU與外圍器件集成度高的產品以滿足市場需要。對此,NEC電子現場應用工程師孟駿提出了解決之道,他表示,作為一種趨勢,SoC技術在MCU領域將越來越多地被關注,而NEC電子在將來會有越來越多這樣的產品推向中國市場。
此外,孟駿還認為,持續改進產品的技術工藝也是一項挑戰,比如提高MCU的寫入次數,擴大存儲器容量及提高性能,在汽車電子中還必須實現更高的可靠性與良率,因此,必須針對汽車半導體產品制定一整套的質量控制流程從設計、評價、生產到售后的追溯分析,而目標是1PPM(每百萬片里只有一片不良品)。
實現從單一功能到多元素的融合,GPS應用呈井噴之勢
消費者對汽車導航設備和全球定位系統(GPS)的需求持續高漲。根據iSuppli預測,2012年汽車導航系統出貨量將達6,510萬臺,比2006年的1,980萬臺增長三倍。EIL Company Ltd.華南區銷售總監蔣泳彬指出,信息娛樂系統將是中國汽車半導體市場中最熱門的應用領域,面向汽車市場的GPS和視頻系統在未來幾年將非常快速地成長,而GPS甚至有望將成為汽車的標配。
圖2:iSuppli 2006~2012年全球汽車導航設備出貨量預測。
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目前的GPS芯片市場強手林立,主要有SiRF、u-blox、Ti、ADI、NXP、高通、英飛凌、索尼、意法半導體、Trimble(天寶)、Atmel、SiGe、u-Nav等。其中,SiRF的旗艦產品SiRF-III芯片具有20個衛星通道、-159dBm的接收靈敏度和低功耗,并在尺寸、功耗、性能上做了不同程度的優化,帶有"f"標號的產品集成了閃存,其定位能力,包括定位精度、定位時間以及跟蹤靈敏度等性能優越,為眾多國際大廠所采用,是目前比較通用的GPS芯片之一。
除了定位能力之外,成本控制也同樣是汽車導航廠商選擇GPS芯片時所考慮的關鍵因素,導航遠峰國際有限公司高級技術市場經理崔幼?Z博士表示,上海掌微電子技術有限公司(已被SiRF收購)的Atlas-II/III以及最新推出的Titan由于其高度整合的雙內核CPU,使得在AP外圍只需配合RF front-end即可構成完整的GPS引擎,在大幅降低成本的同時又保證了很好的性能,因此在去年獲得了相當可觀的市場份額。
外國GPS芯片大廠搶灘中國市場時,在具備了優越的產品性能以及成本控制策略這些“硬件”條件后,還必須具備一項“軟件”條件——為本土客戶提供具有“中國特色”的技術服務。崔幼?Z博士指出,由于本土技術的局限性,國外的GPS芯片廠家不但需要提供完備的技術資料,還需要提供相應的技術培訓,甚至還要協助他們中國客戶進行市場開拓。不單單是在GPS和汽車電子行業,提供從芯片供應到市場渠道建設的“一條龍”服務幾乎已經成為了很多高技術含量行業不成文的“行規”。
針對目前中國汽車導航設備市場的顯著特點——消費者更加傾心于多功能集成的產品,具有單一導航功能的傳統產品逐漸將被市場淘汰,崔幼?Z博士指出,信息娛樂一體化的車載多媒體信息終端將是未來汽車導航產品的發展方向。跟隨科技的發展、新技術的出現,消費類電子行業總是能夠不斷推出新產品、新功能。而這些新的技術,由于汽車環境相對惡劣、元器件生產工藝跟不上等種種原因,總是要滯后消費類電子產品幾年年才能應用在汽車領域。然而近兩年隨著科技的發展,產品系統集成度越來越高,消費類電子產品中的新技術、新功能將越來越容易移植到汽車電子領域。可以預見,未來的包括汽車導航在內的后裝車載信息娛樂系統的功能將基本可以保持與消費類電子產品同步發展,當然前裝產品由于需要車廠認證,還將滯后消費類電子產品兩年左右時間。
對于中國的汽車電子廠商來說,盡管整個汽車電子的市場容量是巨大的,但是由于在動力控制、底盤控制、安全系統、車身電子等汽車電子領域缺乏核心技術或者技術相對較弱,相對于國外知名品牌明顯缺乏競爭力,而在信息娛樂產品方面,中國的方案供應商、OEM和ODM廠商在技術方面可以與國外品牌競爭,而在成本方面相比國外品牌具有明顯優勢。因此崔幼?Z博士認為,汽車導航等汽車信息娛樂產品將是本土廠商進入汽車電子市場的最佳切入點。同時,本土廠商必須清醒的認識到,如何為客戶提供更具差異化、更加多樣性的產品,為消費者提供更多的選擇,以避免客戶因為產品的雷同而進行純粹的價格戰,將是他們需要直面的最大挑戰。
直面嚴苛工作條件,汽車電源管理技術積極應對新挑戰
汽車電子技術不斷對系統廠商提出新的挑戰,汽車電源管理重要性日益凸現。據賽迪顧問保守預計,到2011年,中國汽車電源管理芯片市場將由目前的6.2億元人民幣上升至16.1億元人民幣,年復合增長率達26.9%,其增長遠遠高于半導體整體市場發展速度。但由于汽車電源系統需要在負載突降、冷車發動、輕負載條件下的極低功耗以及低噪聲操作等這些極其嚴苛的條件下保證正常工作,因此在面臨廣闊市場前景的同時,電源管理芯片廠商仍需闖過技術難關。凌力爾特公司電源產品部產品市場經理Tony Armstrong指出,由于要求寬工作電壓范圍、再加上大瞬態電壓和寬廣的溫度變化范圍,這些因素共同作用的結果使得電子系統面臨著十分惡劣的生存條件。與此同時,隨著元件數目的增加,可用空間在不斷地縮小。由于空間限制和溫度要求等因素的影響,效率的重要性日益凸顯出來。在低輸出電壓和即使是中等電流水平(幾百毫安以上)條件下,簡單地采用一個線性穩壓器來產生這些系統電壓將不再是一種切實可行的方法。因此,在過去的幾年中,主要是由于熱限制的原因,開關穩壓器開始逐步取代線性穩壓器。盡管存在著復雜性增加和EMI問題,但采用開關電源所帶來的好處(包括效率的提高以及占板面積的減小)卻更為人們所看重。
安森美半導體汽車產品部的市場經理Peter Lanyon同樣認為,電源管理將從大部分采用線性解決方案轉變為開關電源與線性方案相結合的方式。在電壓調節中,目前主要的趨勢是減小靜態電流指標,在汽車關閉時需利用該指標限制汽車電池的漏電流。特別是在LDO(低壓差線性穩壓器)中,靜態電流指標從100～150uA下降到30uA的目標值,甚至更低。安森美的NCV8664是業界第一款在寬溫度范圍內指定的最低靜態電流(Iq)性能(典型值22uA)下,組合了反向電池、短電路以及過載保護的線性調節器。
考慮到這些約束條件,寬輸入電壓工作范圍,在寬負載范圍內提供良好的效率,在正常操作、待機和停機模式中具有低靜態電流、低熱阻、極低的噪聲和EMI輻射便成為汽車開關穩壓器必需具備的特性。因此,作為一款優秀的汽車開關穩壓器,其規格需要針對3V至60V的寬工作輸入電壓范圍來擬訂。60V的額定電壓為通常被箝位于36V至40V范圍內的14V系統提供了一個適當的裕度。另外,在大多數汽車系統中,必需在一個寬負載范圍內提供高效功率轉換。例如,對于一個5V輸出,在10mA至負載范圍內的期望功率轉換效率約為85%。在高電流條件下,內部開關需要具有良好的飽和度(在1A時通常為0.2Ω)。為了提高輕負載效率,可減小驅動電流或使驅動電流與負載電流成比例。而且,內部控制電路的電源必須通過一個可由輸出供電的BIAS引腳來提供。這利用了一個降壓型轉換器的功率轉換效率。由于該偏置電流取自輸出而非輸入,因而減小了控制電路所需的輸入電源電流,其降幅為輸出電壓與輸入電壓之比。
在汽車系統中,有許多應用是需要連續供電的(即使在汽車停駛的情況下也不例外),比如:遙控車門鎖、安全和GPS系統。Tony Armstrong表示,對于這些應用來說,低靜態電流是一項關鍵的要求,目的是延長電池的使用壽命。在此類場合中,穩壓器將運行于標準的連續開關模式,直到輸出電流減小至約100mA以下為止。在該電流水平以下,開關穩壓器必須執行脈沖跳躍操作,以維持穩壓作用。在脈沖之間,穩壓器可以進入睡眠模式,此時僅對內部電路的某一部分供電。然而,在輕負載電流條件下,開關穩壓器必需自動切換至突發模式操作。
也許會有人對開關穩壓器所產生的噪聲心生疑慮,但是其效率指標則優越得多。在許多敏感應用中,只要開關電源的工作是可以預知的,就能夠很容易地控制噪聲和EMI水平,這一點已經得到了證實。如果開關穩壓器在標準模式中以一個恒定的頻率進行開關操作,且開關脈沖的邊緣是干凈和可預測的,沒有發生過沖或高頻振鈴現象,則EMI將得到最大限度的抑制。小封裝尺寸和高工作頻率可實現小巧而緊湊的電路板布局,這將最大限度地減少EMI輻射。另外,如果開關穩壓器能夠與低ESR陶瓷電容器一起使用,則還可以實現輸入和輸出電壓紋波(它們是系統中的額外噪聲源)的最小化。
汽車電子系統復雜化對電源管理芯片提出很高的技術要求,Tony Armstrong表示,包括汽車電源管理芯片在內的各種車身電子器件的規格應針對很寬的工作溫度范圍(對于電源管理IC來說,有時需要承受高達150℃的結溫)來擬訂。對于功率器件而言,只規定125℃的額定溫度可能是不夠的,因為結溫將高于環境溫度。始終保持接通的子系統應采用具非常低待機電流的IC,以最大限度地減少電池電量的消耗。其冷車發動和負載突降承受能力是至關緊要的。
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充分滿足系統安全可靠性要求,非易失性FPGA脫穎而出
由于FPGA器件先天具有能應對差異化和分塊市場的靈活性,汽車制造商因此不需要差異化的產品策略。而且,由于價格低及無需反復進行昂貴的產品資格認證,FPGA比標準器件更具吸引力。特別是對于汽車電子產品來說,質量、可靠性和成本控制極其重要,因此在汽車應用領域中FPGA器件更是具有非凡的魅力。Gartner Dataquest最新數據顯示,隨著動力傳動系統和排放標準(如混合動力、電動和柴油車)的發展,車載信息通信系統、安全和控制及舒適性功能日益普及,在未來三年,汽車FPGA的總市場容量(TAM)將從9,300萬美元增長到億美元。
在汽車電子行業,質量、可靠性和零瑕疵是最重要的問題,特別是在核心汽車系統中所用的半導體,如引擎控制模塊、動力傳動、車身電子和安全系統,絕不能夠出現故障或失效。這些因素加上不斷改變的技術標準、產品過時間題、更大的推出市場壓力和提升性能的需求,正推動許多汽車設計者轉向非易失性的FPGA取代他們一直采用的定制ASIC或MCU。Actel公司半導體產品市場總監Martin Mason指出:“非易失性FPGA能提供更低的功耗,有助于緩減以SRAM為基礎FPGA的電子轉移和散熱可靠性的問題。這一點非常重要,因為高功耗和其它相關的熱問題會限制器件的使用壽命,特別是在要求嚴苛的引擎蓋應用下?！?/p>
輻射測試數據顯示非易失性Flash FPGA并不受中子問題影響,因此可更好地滿足零瑕疵的需求,并且適用于所有重視可靠性或安全性的應用系統。這些中子問題通常與SRAM FPGA有關,可以導致FIT率(109小時中的失效數目)較業界可接受的范疇高出多個量級。由于這個行業非常注重零瑕疵,對中子誘發的固件錯誤問題作為微控制器程序內存中的壞位般重視只是時間問題。不過,與微控制器應用中經常出現錯誤改正電路(ECC)不同,并沒有簡單或成本有效的方法可以檢測及減少SRAM有關的中子誘發固件錯誤問題。Martin Mason認為中子誘發的錯誤對于核心汽車電子應用有重要的意義。他說:“易受影響的FPGA技術的廣泛應用,將會造成對全新質量評估系統的需求,使到系統設計的復雜性增加,并且大幅增加板卡空間和材料清單成本。在許多情況下,固件錯誤可能需要系統’重新啟動’以清除錯誤(重載配置代碼),這對系統關鍵的汽車應用卻不切實際?！?/p>
2007年8月,Actel推出了針對AEC Q100 Grade 1規范的基于Flash的FPGA,主要用于車載信息通信系統和信息娛樂系統以外的系統關鍵設備,如動力傳動系統和安全系統。該款FPGA采用了片上Flash內存來實現開關控制,使到該系列產品具有固件錯誤免疫能力；這是向著零瑕疵發展產業的強制性要求。相反地,基于SRAM的FPGA配置數據容易由于中子誘引而產生錯誤；這種錯誤會以不可預測的方式改變邏輯、布線或I/O的行為,從而導致系統故障,而系統故障可以損害品牌形象,最嚴重的使得生命安全受威脅。
綜上所述,由于對安全性和車身控制功能不斷增長的需求,將繼續增加汽車電子的復雜性,半導體制造商必須滿足設計人員在汽車電子市場的需要,而不會迫使他們在質量、可性、靈活性、成本和推出市場時間方面作出犧牲。在這個瞬息萬變的市場,在核心的汽車系統應用中使用非易失性FPGA將會成為成功的關鍵。
技術、服務“雙刃”并舉,產業鏈上下游攜手決勝中國市場
汽車半導體產品之所以區別于消費類電子,是在于其對成本、質量、性能更平衡、更苛刻的要求,因此,除了找準能夠打開潛在市場局面的“黃金”產品之外,芯片及系統廠商還需加大技術研發力度,嚴格控制產品質量、提升產品性能。此外,抓住市場契機,了解客戶當前需求更是重中之重。中國是一個發展快速且蘊藏巨大潛力的市場,而汽車電子技術仍是蹣跚學步的嬰孩。最終用戶的技術積淀與研發能力參差不齊,如何滿足這些不同客戶以及不同應用的需求顯得尤為重要?，F階段,對于某些客戶來說,能否得到來自汽車半導體供應商的全套解決方案的支持是他們最為關心的,也是產品能否最終得到市場認可的關鍵。
循跡國外汽車電子產業發展之路,我們不難發現歐美已經擁有非常完整的產業鏈,不僅僅是零部件、半導體廠商,還有大量的從事設計咨詢、開發分包、測試業務的基礎專業廠商。而目前中國很多本土汽車電子廠商都是從消費電子、通信電子轉型來的,他們往往缺乏對汽車電子系統的充分了解和認知。現階段中國汽車電子的快速發展,主要是依托于國外技術引進和國內技術移植,前者受制于人而后者會“水土不服”。上海汽車技術中心電子電器部系統集成經理張海濤指出:“很多汽車電子零件公司,起碼的技術儲備都沒有,連一般國際汽車電子開發流程都不熟悉,就來拍胸脯說沒問題。有的供應商甚至開發造假,這尤其不能容忍。其實,整車商也想開發自己的戰略合作供應商?！睆埡倪@一席話無疑道出了整車廠商的心聲,本土汽車電子廠商迫切需要提升自己的技術實力,只有讓整車商找到“放心”的感覺才能給自己帶來發展的機遇。
從另一個角度來看,如果沒有業內的需求拉動,下游基礎產業也無從發展。本土整車廠商應更多地發揮自身的龍頭作用大力扶持本土汽車電子廠商。張海濤認為,一方面,整車廠商需借助相關產業的基礎資源,扶植自身體系內的基礎產業,消化國外引進技術并在零部件配套體系推廣。另一方面,在非競爭技術方面,整車廠商需聯合產業鏈上下游共同推動技術的標準化。同時,如何在有限時間內建立起良性的產業發展環境也是中國汽車電子產業發展所面臨的重大挑戰,這就需要整車廠商帶頭尊重知識產權,倡導技術有償轉移,帶動整條產業鏈共同創建良性的發展環境。
作者:溫南蘭
