2010年的汽車電子賣點及設計挑戰

輝輝仔

中國的汽車產業在今年很有可能觸及或跨越年產銷一千萬輛這個門檻，事實上在實現這個目標以前，中國就已經成為僅次於美國的全球第二大汽車市場。在當前的汽車中，汽車電子系統所占的比重越來越大，很多特色化的功能都是依賴汽車電子技術來實現的，如果說在製造數量上我們已經佔據了非常重要的位置，那麼具體到汽車電子行業，我們又該如何和國際同行們實現同步呢？在本世紀第一個十年的最後兩年，有哪些汽車電子應用會成為熱點，實現這些應用又將面臨哪些挑戰？筆者就此問題遴選了幾大熱點應用採訪了相關的一些業內專家，希望可以對中國從事汽車電子系統設計的讀者有所幫助。這些熱點應用包括自適應汽車前照燈、LED尾燈和HID前燈、智慧化的無鑰進入系統、可視和雷達倒車系統等。

AFS為保障駕駛安全增添砝碼
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車燈對保障駕駛安全所起到的作用是顯而易見的，而在實際應用中，傳統的前照燈系統存在著諸多問題。例如，現有近光燈在近距離上的照明效果不佳；還有對於車輛轉彎時存在的照明暗區以及車輛在雨天行駛時地面積水的反射眩光問題，現有前照燈系統都不能很好的解決或改善。自適應汽車前照燈(Adaptive Front Lighting System, AFS)系統所帶來的變革則可以幫助駕駛者輕鬆面對這些問題。
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所謂AFS就是指能自動改變兩種以上的光型以適應車輛行駛條件變化的前照燈系統。據飛思卡爾全球汽車市場總監Steven Nelson先生表示：“目前，市場上的AFS有很多類型，包括從相對便宜的水準系統到所謂的燈光“彎曲”應用。水準系統基於車輛的載重調節燈光的垂直瞄準，這類系統在歐洲受到了管制。更先進的“彎曲”應用則可以根據車輛載重、加速/減速、方向盤角度、天氣條件等資訊，動態地更改燈光瞄準或光束模式。這類系統一般由步進馬達控制。”舉例來說，如在彎道行使時，傳統前燈的光線因為和車輛行駛方向保持一致，所以難免存在照明的暗區。一旦在彎道上存在障礙物，極易引發交通事故，此時AFS則會產生旋轉光型的光線，給彎道以足夠的照明。
瑞薩電子(上海)有限公司汽車電子市場中心總經理崛田慎吉先生表示：“有兩類控制可以改變前大燈的方向。一類需要真正轉動短焦距前大燈，另一類不是轉動前燈，而是轉動反光鏡。但無論哪種情況，都需要增加電機和變速箱。決定轉動角度的輸入信號為轉向角、車輛速度信號、方向燈以及倒轉開關等。”對傳感信號的處理、前大燈角度的計算以及對電機的控制等是由MCU、感測器和電機驅動器來完成的。現有的汽車電子系統已經可以採集轉向角信號、車速等資訊並具備了方向燈和倒轉開關等器件，而對電機的控制則與其他電機沒有區別。崛田慎吉還表示：“AFS在設計上的挑戰主要在於定義規格、進而決定AFS如何工作以及MCU軟體的設計。在AFS方面，瑞薩的MCU已經在許多日本汽車上應用了五年之久。瑞薩能提供16位元MCU/M16C系列和R8C系列，以滿足客戶的不同需求。”
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, d/ W8 t* a* w; j9 U5 a5 ]$ \對於AFS下一步的發展趨勢，崛田慎吉認為在未來的AFS中，一些汽車製造商正在考慮集成圖像識別功能，以檢測行人、車輛和路邊障礙物。在此應用中，需要帶有圖像識別功能的32位元處理器。瑞薩適用於自適應巡航控制(ACC)和車道偏離警告系統(LDWS)的產品SH7774同樣適用于未來的AFS。在更新的系統中也開始採用LED轉向燈，在這類系統中，有一系列可以操縱的LED來提供水準、彎曲等功能，因此不再需要馬達支援。
6 }( T% `- y5 z& RLED、HID在汽車車燈應用中大放異彩
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據淩力爾特公司電源產品市場經理Tony Armstrong介紹，發光二極體(LED)被應用於汽車尾燈已經有十多年的歷史。而安華高科技光電子產品部汽車LED產品市場經理Boon-Hooi Lim先生表示：“已經有越來越多的汽車在整個車尾組合燈具(RCL)(包括停車燈、轉向燈、尾燈和反光燈等)中使用LED。”Tony Armstrong還介紹：“高強度放電燈(High Intensity DischargeLamp, HID)燈包括所有在普通照明中使用的高強度氣體放電燈，而用於汽車中的HID主要指HID氙氣燈，通常被用作汽車前照燈。”
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為什麼要在汽車車燈中使用LED，世強電訊的專家表示：“與傳統的車用信號燈(如白熾燈)等相比，LED具有節能、壽命長、免維護、防爆、易控制和環保等優點，加上LED自身獨立的冷光特性，使得燈具的外形不會因為長期受熱而變形，從而提高整套燈具的壽命。而且隨著技術的革新和市場的興起，當前困擾LED的發光功率和成本這兩大瓶頸問題也都將得到解決。”
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1 M. |  L7 Y0 R- s據Tony Armstrong先生介紹用於汽車尾燈的LED主要是紅光LED，它們在把電能轉換為光輸出方面具有非常高的效率。因此困擾LED應用的散熱對紅光LED來說不是問題。Boon-Hooi Lim也表示：“散熱不再是LED尾燈系統設計中最大的挑戰。隨著越來越多功率從0.25~1W、甚至更高功率的LED湧向市場，汽車尾燈設計師很容易根據設計風格和可用散熱空間對LED做出正確的選擇。”他還表示：“最近發佈的大多數LED尾燈設計從0.25W和1W LED轉向了0.5W，因為0.5W產品提供了極具競爭力的成本與流明性能比，非常適合大多數汽車尾燈使用。”安華高在2008年二月就發佈了非常適合汽車尾燈照明使用的超級0.5W PLCC-4表貼LED。
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: k; u( D- S- ^9 s9 a" x  VLED尾燈應用的主要難題是在所有的運行狀況下保持一致的亮度。飛兆半導體公司車身電子/智慧開關產品總監Gary Wagner表示：“為了保持一致的亮度，需要準確的電流控制。而為了提供無閃爍得運行，良好的線路調整也非常必要。最好的方法是使用電流控制的升壓轉換器，將LED串聯起來，形成兩個或更多的並行LED串，用於冗餘設計。飛兆半導體提供廣泛的功率元件以應對以上汽車照明設計的挑戰。”安森美半導體資深應用工程師Brian Blackburn則表示：“LED組合尾燈要獲得廣泛應用，恰當的驅動器設計非常重要，其中採用線性類型的驅動器能夠限制功率耗散，而只有LED在功率耗散方面受到限制，所謂的長壽命才能夠實現，安森美的驅動器正可以很好的限制功率耗散。”

5 W/ I0 {% m: R. x7 B) t* Q對於前燈應用，據世強電訊的專家介紹：“HID因其亮度高、壽命長、節能、色溫性好、安全可靠等優點，已經成為賓士、寶馬等一流名車的標準配置。”HID前燈是由燈泡本身、觸發單元和控制單元或鎮流器組成的。由於靠近發熱的燈泡，並且要經受車輛行駛中的振動，這些元器件要求具有溫度穩定性和機械穩固性。就此埃普克斯的汽車薄膜電容產品市場經理Martina Auer表示：“埃普克斯的薄膜電容可以耐受高達150℃的工作溫度，存儲溫度可達170℃。且不同的引腳版圖允許系統經過優化提供最高的機械穩定性。6kV/μs的脈衝寬度使得薄膜電容特別適用於觸發電路。”
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$ A) u8 ^8 A: r# {2 x8 o5 {2 c除此之外，飛兆的Gary Wagner表示：“因為需要縮減整個HID系統的體積，如何應對功率密度和EMI要求成為設計上的挑戰"世強電訊的專家也表示：“把HID燈用作汽車大燈，有兩個關鍵問題需要解決：1. HID鎮流器的EMC問題；2. HID的鎮流器的控制部分必須具有很強的適應性，能適應冷燈、熱燈，以及各種不同品牌的燈，並具有對一些故障的智慧保護功能。”世強電訊有基於SILABS MCU的單晶片全數位HID鎮流器解決方案。對於EMC問題，該方案除了充分考慮傳統的EMI抑制措施外，還採用先進的擴頻控制技術(變頻變占空比)，讓干擾信號在某一頻段上的能量不能累積，從而減小EMI的影響。對於控制部分，該方案採用SILABS的高速MCU，用一顆單晶片實現了冷熱燈識別、燈點亮、�功率控制、PWM輸出、故障處理等功能，具有優秀的適應性。
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3 h. p5 u, K& p除了HID氙氣燈被用於前燈應用，高亮度(HB)的LED也可以被用該類應用當中。Tony Armstrong先生表示：“HID氙氣燈的生產製造成本非常昂貴，因此其用途僅限於高檔車輛。隨著技術的進步，近期推出了HB LED，因此HID氙氣燈的使用量將迅速減少。”飛兆的Gary Wagner則表達了並非完全相同的觀點，他表示：“未來LED頭燈很可能代替HID頭燈，但用於頭燈的LED距離真正的商業化還需5~10年時間，目前LED頭燈仍存在成本問題，比HID頭燈要貴4~5倍。”看來不管是HID頭燈還是LED頭燈都面臨著成本過高的問題，因此目前LED頭燈被首先應用在高端的豪華車型中，如雷克薩斯、奧迪和卡迪拉克等，即使是這樣LED前燈也只是主要被用作白天行車燈(DRL)，然後是集中在高檔汽車上用的近光燈，而要想在更多的新款汽車上看到前燈使用LED作遠光燈尚需一定的時日。不過LED頭燈可降低電能使用需求，將運行頭燈所需要的功率瓦數由120瓦大幅減少至近40瓦；另外LED還能夠被融入到非常纖薄的造型線條之中，這些都是促進汽車廠商在前燈中使用它的推動力。

相對于LED的尾燈應用，散熱問題對於前燈應用來說依然沒有完全解決。淩力爾特的Tony Armstrong就表示：“HB LED車前燈的供電確實必需特別關注熱設計，原因是它們通常需要50W的供電功率。”安森美半導體資深應用工程師Brian Blackburn透漏：“某些系統採用了風扇來對LED頭燈進行冷卻。但這種類型的冷卻對於LED頭燈的長期可用性來說，並非好事。”世強的專家就此問題表示：“多個LED集中在有限的空間中，將造成散熱困難，LED模組溫度升高，會導致LED的壽命降低，並加速LED的光衰、影響LED驅動器等元件的效率和可靠性(一般元件的工作溫度需控制在80℃以下)。溫度升高，還使LED輸出的光波長發生變化，改變顏色特徵，有可能影響汽車照明。”他表示：“解決散熱問題，從生產廠家的角度來講，可以採用新材料，採用新的封裝技術，增大PN結的散熱面積等；從設計者應用者來講有幾個方案可選擇，包括選擇高品質的解決方案；進行熱量控制，當溫度升高時減少電流，以降低功耗；還有選擇進行合理的熱設計等。”
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功能日益強大的智慧進入系統

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