汽车控制单元和分立电子元件的重要性 - 文章

汽车控制单元和分立电子元件的重要性

作者：VISHAY INTER公司汽车电子研究小组

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现在的汽车设计工程师正不断致力于设计出重量和能耗更低，同时安全性和舒适性更高的汽车。工程师们越来越排斥利用常规的能耗技术——笨重而高成本的机械解决方案来达到这样的目标。平均到每一辆车来说，每额外增加50kg的重量或100W的功率会带来0.2 L/100 km的油耗增加，因此消费者所寄望的太多的汽车性能革新都需要依靠电子器件来实现，而Vishay的分立电子元件随后可以为这些器件提供强大的功能支持。

这些主要的设计挑战包括实现复杂的驾驶员辅助系统与信息支持系统，它们必须易于使用，并能提供动态性能以及连接成网络。集中式安全性系统、防撞系统、停车辅助系统、车道偏离检测、远程信息与多媒体系统、驾驶者身份进入与启动系统以及舱内娱乐系统，这一切的应用使得驾驶人员感到驾驶的舒适和安全，方便地由“A”点去往“B”点，让驾车真正成为一种享受。

但是，所有这些特性都需要用高效的电源和功率管理系统来实现。对于这类关键应用，Vishay公司提供分立电子元件----如采用TrenchFET?专利的功率MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)和采用Power Metal Strip?专利的电阻器等，它们可以达到在快速响应时间下的高电流和高温度等要求。

具有先进前灯对位性能的HID氙灯大大改善了驾驶员的路视状况，它要求使用高压薄膜电容器用于灯光点亮，使用高效（低RDSon）MOSFET用做镇流器。夜视系统要求使用高功率IR二极管使基于照相机的探测系统闪亮，而Vishay是世界上第一大IR二极管生产商，它还提供上述应用所需要的所有类别的分立电子元件（CCD传感器除外）。Vishay正在加强对光检测与测距（LIDAR）、自适应驾驶控制（ACC）研究的支持，超快速PIN光二极管和IR激光二极管驱动器，以及超快速照相闪光IR发射器都已应用到防冲撞系统中。

随着汽车保有量以及由它们的发动机所排出的污染量的不断增加，这会对环境和人类的健康都带来威胁。因此，汽车排放和燃油消耗受到法律的制约越来越严格。汽车制造商正在开发复杂的发动机管理、废气再循环，以及清洁系统，来满足这些限定要求。但是，这些系统的实现有赖于传感器，而传感器需要在典型的机盖、发动机机体和变速箱温度下可靠地工作，这些温度可以高达1300 °C。传感器与高效ECU配用更是需要使用极为精确的电压分电器和电阻器，以上这些元件Vishay已做到大量生产。事实上，Vishay是这类应用所用薄膜电阻产品的第一大制造商。电池管理需要使用特殊的电流传感器和控制器，这些都可由Vishay创新的Bulk Metal ? 箔片技术、分流电阻器，以及PWM开关MOSFET进行支持。

安全系统中的电子元件——关键任务应用

诸如气袋等安全性应用属于关键性任务，它们不允许出现一丝故障。因此，一项不可避免的防范措施是适时地测试潜在救生电路中用到的全部的安全性相关电子元件。这正是许多厂商采用Vishay Bccomponents长寿命铝电解电容器用于储能应用的原因。这类电容器在生产过程中得到充分测试，以保证其可靠的品质。Vishay还拥有定制设计和制造特种电解电容器的能力——提高其使用寿命性能（工作循环、应用波形和温度），或增加其温度性能（高波纹电流或增加环境温度）。

另外，精确性对于可靠性是至关重要的。例如，电压分电器网络采用薄膜电阻器技术确保精确性。薄膜技术通常会提供比厚膜技术更好的漂移性能、更低的噪声、更低的温度系数（TC），以及更好的脉冲处理能力。在用到多个电阻器的情形下，Vishay的薄膜电阻器阵列会提供跟踪和稳定漂移的附加优点。

雨刮器系统可认为是安全性产品，因而它需要经受多个循环的耐疲劳度测试。薄膜电容器广泛地用于这种应用中，雨刮器频繁的停-摆产生复杂的电磁干扰(EMI)及电磁兼容性(EMC)问题。Vishay的Roederstein膜电容器理想地适于这种应用。而且Vishay 还提供一种新型的集成式无源器件（IPD），它把膜电容器的滤波性能以并联的形式与变阻器的过压保护性能结合在一起。变阻器只简单地提供一种低阻抗通路，防止在由其它电路元件（即雨刮器电机、继电器）产生瞬间大电压情况下，膜电容器过充。IPD做到了节省电路板空间和生产成本。

使用非可见光电子技术测定车体存在、重量、大小和其它因素的智能型安全性系统变得越来越普及。光传感器还用来测定车辆内（即太阳负载传感器）外（即雨传感器）的环境条件。这使得气袋、主动刹车装置和其它潜在的救生安全性系统得到更有效的运用。Vishay提供多品种的非可见光元件，这包括IR LED、IR模块（接收器/探测器与发射器组合），以及定制解决方案等。

勿需多言，几乎所有的电子器件都需要在甩负载和反向电池条件下得到保护。Vishay半导体公司是世界上生产瞬间电压抑制器和功率二极管的领先厂商，这些元件各自提供适当的保护。但是，如果你选择一种P沟道MOSFET方案用于反向极性保护，那么Vishay的Siliconix---功率MOSFET进展方面的技术领先者，拥有几个产品类型供选择。对高于10A的负载，这是最佳和最具成本效益的解决方案。对于EMI滤波，Vishay的屏蔽式SMD IHLP电感器系列对于超高电流应用（达120A）是极为优异的解决方案。IHLP电感器甚至可用于高开关频率DC-DC转换器。

仪表组应用——不仅仅满足观察的要求

在观察路面情况之外，驾驶员花去他们大部分的时间来关注车辆上的仪表组。因此汽车制造商把大量的考量放在如何设计它们上是不奇怪的。仪表组不只是在设计上要用户界面友好，而且它还是车辆标志的一部分，一些显要颜色的使用是与特定制造厂商相联系的。由此，跨车辆所有内部构成使LED匹配的能力成为一致性设计的一个先决条件，这些车辆构成包括仪表组、收音机以及车内气候控制等。

Vishay是汽车市场用LED技术的世界领先者。除了PLCC-2表面安装封装类型外，Vishay 还开发了PLCC-3，它通过增加金属接触面积改进了散热性能。还有超小型封装类型含MiniLED（尺寸接近PLCC-2的50%）、ChipLED（0603封装）供有空间约束的设计使用。

节省空间的另一种方式是单一封装提供具有多种颜色的LED。VISHAY的 PLCC-4允许把两种或三种颜色的管芯置于单一封装内以取得颜色灵活性。节能是LED要解决的另一个重要问题，于是低电流、高亮度LED成为夜晚环境下和停车照明时的一种极好的选择，这种时候需要在发动机关闭情况下，经常性地由车辆电池来供电。对于通孔设计，还提供3MM、5MM以及集成电阻器（由用户定义）LED。最为重要的是VISHAY能够与客户一起工作来提供颜色、波长和亮度的最佳解决方案。

除了仪表组中显见的元件外，构成一个完整的解决方案还需要一定数量的附加无源与半导体元件，VISHAY为用户提供宽范围的元件选择。对于驱动LED，VISHAY拥有各种封装、尺寸，以及技术如厚膜、薄膜与线绕等大范围的电阻器可供选择。如果可以，电阻阵列可用来代替多个电阻器，以节省板空间和降低占位成本。

Figure 1: Relative board space savings with resistor arrays. Basic resistor array diagram.
图1 采用电阻阵列带来的板空间节省。基本的电阻阵列框图

对于高性能和豪华轿车区段应用，自动灯光变暗和颜色控制可通过使用VISHAY的光传感器来实现。由于大电路板、高功率消耗以及散热需要的存在，群组的内部温度可能需要监控。这一温度可采用VISHAY非线性电阻器产品组合的NTC热敏电阻来监控。

在许多情况下，仪表组直接与车辆的电池连接，要求具有车辆甩负载保护(ISO 7637-2, 测试脉冲 5)和反向极性保护。VISHAY的专利PAR? 汽车TVS专为处理汽车环境中的甩负载脉冲而设计。对于反向极性保护，VISHAY提供有功率二极管。如果选择使用一种功率MOSFET方案作为替代，那么VISHAY SILICONIX是P频道MOSFET研发的领先技术可供参考。

一个挑战性的任务——支持现代传动系统

高效发动机管理系统需要监控排废（气体循环）系统内和周围的传感器的多种信号：λ传感器、NOx传感器、温度传感器以及空气量传感器。它们能够帮助降低发动机的有害排放。燃喷油量需要由现代的喷油器（压电喷油器）与点火系统（激光点火）来减低和得到更好地控制。这将降低柴油或Otto发动机（四冲程往复点燃式发动机）近15%-20%的排放，并将增加发动机效率约7%。

喷油阀驱动器、发动机控制单元、反向极性保护、升压转换器以及温度传感器是这种任务的主要功能单元。现代发动机管理还包括在最佳工作温度下运行发动机。传统水泵的能耗是1.5 kW，通过使用新款仅重2 kg的水泵能耗可以降低到0.2 kW，这样在每个起动阶段发动机效率可以降低燃油消耗约0.5升。Vishay提供ChipFET? MOSFET、电流检测电阻器、高温NTC传感器，以及其它发动机控制元件。

共轨压电直列式喷油器对于降低排放、降低燃油消耗以及发动机降噪都十分重要。但高效和（超）快速控制电子装备需要高的电压。压电致动器要求250 V的快速切换。最适于这一要求的是Vishay的30V TrenchFET?技术，以及Vishay IHLP 功率传感器，它用于升压转换器。

和喷油控制几乎同等重要的是质量流量与节气阀控制，Vishay提供运动传感器和NTC/PTC温度传感器用于这些应用。一体式的起动器—发生器和混合传动将在未来得到应用，以使汽车更加高效和降低排放。在全混合汽车中，电机提供基本的传动，排放大为降低。如果驾驶员要求更多功率，内燃机会切换使用以支持其需求并载入电池。这将大大降低燃油消耗，尤其是在停停走走的交通路况时。

为控制和驱动这种技术，电子电路就需要高电压、高温度和耐受脉冲元件——如功率MOSFET、膜电容器、电流检测电阻器、瞬间电压抑制二极管，功率肖特基二极管，以及混合陶瓷安装的金端接高功率电感器。用于诸如两模式和适度混合汽车上的新技术将额外改善燃油消耗15%。42V板网络（42-V board nets ）是扩展的功率要求和混合技术的答案。它们将进一步降低线缆和连接器的重要，改进功率的效用性，并使汽车设计工程师能够使用X-by-wire技术，将更多的舒适和安全性电子装备置于车辆中。在通常的转向系统中，驾驶员会感觉到任何阻止车轮转向的阻力。但是，X-by-wire系统所具备的不同的操控特性需要使用新的分立传感器技术如用于轴向转矩的光角度传感器、应力传感器，用于电机的高电流传感器和快速开关器件，以及制动器，以为电子系统和驾驶员提供回馈。

过去几十年的发展业已证明，复杂电子装备在汽车中的使用是呈指数式增长的。尽管车辆中微控制器能力增加，数据总线系统复杂化，但分立电子元件是需要用来提供增强的传感器功能性和执行由控制器发出的命令的。分立元件必须胜任在苛刻环境中工作，必须处理增加的功率，必须更快更动态地响应微控制器逻辑。传感器技术、数据记录、信号条件、能量存储能力、EMI过滤、高功率整流、开关和传输，以及敏感性微电路的保护等仍需要采用分立电子元件，其重要性无可取代。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/27/2005)


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