新型汽车电子系统元器件解决方案（下）
汽车电子的中心议题：
- 元器件在汽车电子系统中的应用
- 新兴需求为元器件市场带来的机遇和挑战
汽车电子的解决方案：
- 车载网络系统的保护方案
- 车载照明检测与保护方案
- 混合动力车(HEV)中的半导体器件解决方案
新型汽车电子系统元器件解决方案（上）
本专题的上半部分介绍了在安全系统、娱乐系统中电子元器件发挥的作用，同时介绍了新能源汽车对汽车电子元器件提出的新要求。汽车电子系统非常复杂，因此在下半部分中，我们将继续探讨新型电子元器件在新型汽车电子系统中发挥的作用，如保护器件在车载网络系统的保护方案、车载照明检测与保护方案以及混合动力车(HEV)中的半导体器件解决方案等。
车载网络系统电路保护方案
车载网络系统将扮演着越来越重要的角色。新型客车、卡车、公共汽车甚至摩托车都已成为移动的网络，将众多特征和功能连接在一起，如内置控制、移动媒体和无线网络。信息娱乐系统、远程信息处理、安全控制等的应用均需使用几种现有的网络标准，其中LIN、CAN、FlexRay就是最重要的三种标准。
LIN拓扑的电路保护措施
LIN总线拓扑通常用于连接开关、传感器和促动器至车载网络LIN总线标准要求当LIN总线路因正电压小于 26.5V或接地而出现短路时，网络应恢复正常工作。物理层上的ESD浪涌电阻根据IEC61000-4-2要求必须符合最低放电电压电平±2kV。然而，ECU连接器上可能会出现达到±8kV的电平。
下图为为协同的电路保护图，显示出一个设置在功率输入的可复位PolySwitch器件如何在电源输入端保护ECU和LIN节点连接器免受过电流情况的损伤，以及一个MLV（多层电压敏电阻器）如何为车载网络应用提供所需的高电流处理和能量吸收的过电压保护。
需要通过过电流保护对出现故障或过载现象时进行过电流限制。同时也需要通过电路保护设备限制电压尖峰或处于稳定的过电压状况。
CAN 拓扑的电路保护措施
CAN总线收发器可允许总线供电电压高达+/-80V直流电。然而，甩负荷浪涌会产生出比ISO-7637-2标准（最大86.5V）中规定的更高瞬态，可能会损伤收发器。收发器的操作电流也因供货商的不同而有所差异。
下图显示了如何在电源输入端应用可复位PolySwitch设备和MOV（金属氧化电压敏电阻器）从而避免因车载供电系统中心的浪涌电流和电压异常而产生的损伤。
FlexRay拓扑的电路保护措施
FlexRay协议专为线控应用所设计，如线控刹车和线控方向盘。该线控网络方式支持同步和异步数据传输，数据传输率约为10Mb/s，具有时间触发和事件触发行为、冗位和容错的特点。
该结构支持一“束”2个节点至64个节点，其功能主要依靠于两种类型的处理器—ECU和“活动星”。 FlexRay通讯通过一个常用总线或一个星形连接在ECU之间进行。FlexRay元件的总线输入必须避免在总线路和系统供电电压或地电位之间出现短路现象。
下图方案利用一个PolySwitch设备进行过电流保护。
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车载照明电路保护方案
车载照明系统要求高达55A的峰值浪涌电流。控制车载照明的理想解决方案之一，就是将一个高压侧前置FET驱动器和功率FET组合。
一个前置 FET 驱动器被用来控制系统中的四种不同负载。这种组合能够通过温度系数较好地控制阻性负载。通常，负载被连接在低压侧，而功率 FET 则在高压侧完成配置，以为负载供电。每一条通道都可以由一个来自微控制器的并行输入信号或串行编程寄存器来控制。在一个并行结构中，一个通用 I/O 或基于定时器的输出被用来控制负载电流。
栅极驱动输出通常为一个恒定电流源，并且吸入输出端来控制 FET 栅极电容充电和放电特性。与输出串联的一个外部电阻器限制了 FET 开关转换的升降次数。这种效应使转换率得到了控制，同时还可有助于减少会增加电磁干扰（增加开关损耗和功耗）的开关极限期间出现的快速电流变化。这些输出在内部被控制在 17V 的最大输出电压以下，以保护外部 FET 栅极免于源击穿损坏。与一款集成的解决方案相比较，可以对前置 FET 驱动器和功率 FET 的组合进行配置，以防止应用中的动态和静态故障。
车载照明电路故障检测和控制方案
在所有的系统中故障检测都是至关重要的。能够独立地对 “开启”状态下有短路负载和过电流现象以及“关闭”状态下有开路负载的每一条通道进行故障检测，将使系统能够做出正确的反应。这种检测同时还可以将出现故障的通道隔离开，以避免影响其它正常通道，特别是在涉及热相互作用问题的时候。
当检测到一个过电流状态时，通过“关闭”器件或激活将以低占空比自动重试和 “开启”FET 的选项设置，就可以对 FET 进行保护。这样就允许系统不断地检查故障是否已经被排除，并且不会破坏 FET。
在“关闭”状态下监控开路负载故障为系统提供了负载完整性信息。当开关完全处于“关闭”状态下时，通过监控外部功率 FET 的电源电压，就可以实现对每一条通道开路负载故障的检测。
同样地，为了防止开关转换期间出现错误的故障报告，一种抗尖峰脉冲滤波器在电源转换期间被激活，以屏蔽故障。可以对该抗尖峰脉冲屏蔽时间进行编程来对所有转换率控制实施进行补偿。如果该开路负载发生在开关转换以后，那么在系统做出正确的动作以前故障的确定有效时间比故障掩模时间要长。正确的动作就是使该场效应晶体管保持在“关闭”状态下。
将一个高压侧前置FET驱动器和功率FET组合被广泛地用于负载控制，例如：车载电子的白炽灯泡、继电器螺线管和传输螺线管等，还可能被应用于那些要求通过串行总线通信或者并行输入控制来实现负载控制的工业和商业应用中。将每一个功率 FET 与热相互作用隔离的这种能力，在那些单通道短路或者热关闭故障不会中断其它负载控制通道功能的情况下是非常有好处的。
混合动力车(HEV)中的半导体器件解决方案
高电压带来的挑战是混合动力车必须解决的问题。几年前，汽车中的功率器件大多数都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽车的动力传动系统。现在的汽车，包括混合动力汽车，则采用20V到600V的功率器件。对于动力转向及制动这类应用，开发工程师正在寻找具有低导通阻抗的高性能低压沟道型MOSFET，以降低汽车的功耗。
轻度、全面及插电式HEV更是需要600V到1,200V之间的高电压电子系统，这使设计更具挑战性。除了需要高达600V到1,200V的高电压能力外，也需要驱动逆变器和DC/DC转换器中前所未见的电流密度的开关。功率IC要面对这样的高功率、高电压以及高能源，就要以坚固耐用、可靠性和安全作为主要的条件。IR 的Hauenstein博士曾表示，电机驱动IC的保护功能非常重要，在HEV牵引电机出现严重故障和短路时，免除了微型控制器的互动需要。因为这个问题在HEV逆变器中，开关高电流、高电压IGBT时十分常见。”
IR的HEV方案系列也包括了具备非常低EMI和优化了的开关性能的驱动器及开关。例如最新的DirectFET MOSFET产品便完全不用键合线，并且因为消除了大部分的寄生电感，以及具备最小的封装电阻，所以能够提供最佳的开关性能。除了领先行业的低导通电阻、卓越的开关性能和增强了的温度能效(例如双侧散热)，这款十分先进的无键合线芯片尺寸封装让设计的体积显著减小，特别适用于高功率要求或者如HEVDC/DC转换器这些快速开关应用。
IGBT和功率MOSFET作为混合动力汽车的核心技术，吸引功率半导体厂商纷纷瞄准这个庞大的市场。ISuppli曾预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展，位居汽车电源管理器件之首，MOSFET市场增长居其次。虽然在未来几年中混合动力车辆还将只是占据车辆市场的一小部分，但混合动力对逆变器和DC/DC的集中需求将形成市场对IGBT和功率MOSFET的巨大需要。
中国主要的汽车电子市场及发展机遇
安全、节能、环保以及智能和信息化，是未来汽车的发展趋势。中国汽车市场使得汽车娱乐系统得以快速的发展，而这种发展是在现有市场规模下的呈指数生长状态的增长。有市场研究表明，中国的总体汽车产量非常庞大，而车载娱乐系统数量也同样可观，主要提供OEM支持服务。
汽车运用电脑作为平台以达到车载通信、导航、视听娱乐、网络控制、为区域市场趋势的一体化而设计的集成多媒体信息系统等功能。有调查分析表明，中国现在市场发展的前景存在于大的汽车电子市场。而汽车行驶安全性和小型汽车相关的娱乐导航信息系统控制、车身电子相关控制等，将成为中国的汽车电子产品市场发展的主要方向。
