網(wǎng)絡(luò)與混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝推進(jìn)汽車(chē)電子的集成

隨著汽車(chē)電子系統(tǒng)的重要性不斷提高，工程師面臨著越來(lái)越多的技術(shù)挑戰(zhàn)，并要求推出更多可靠的低成本電子系統(tǒng)及傳感器、執(zhí)行器(actuator)等子系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)與子系統(tǒng)不是孤立的，而是彼此存在交互關(guān)系。以前，汽車(chē)電子裝置通常由彼此分離的電子元器件和集成電路構(gòu)成，相互之間采用專有的或?qū)ｉT(mén)的有線通信設(shè)計(jì)方案，至少許多傳感器系統(tǒng)和針對(duì)執(zhí)行器的直接電線連接的電源輸出是這樣的，這使得印制電路板面積很大而且笨重，增大了引擎控制單元(ECU)的體積。分離的元器件導(dǎo)致通信量的大量增加，而大量增加的通信量又造成紛亂復(fù)雜的通信線路。復(fù)雜的通信線路必然會(huì)帶來(lái)許許多多的其他問(wèn)題。因?yàn)檫@不僅僅是占用空間，增加重量和成本，眾多的通信線路之間相互干擾，而且還容易受到汽車(chē)電磁干擾的影響，從而導(dǎo)致維護(hù)也變得相當(dāng)困難。 所幸的是，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步正在逐步解決上述問(wèn)題，并有可能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)汽車(chē)中配置高級(jí)的智能系統(tǒng)。隨著汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)的發(fā)展，控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)和本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)架構(gòu)得到廣泛采用，目前已發(fā)展到2.0版本，這些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)系統(tǒng)性能與成本間的優(yōu)化平衡。CAN為底盤(pán)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和車(chē)身主干通信提供了高速通信網(wǎng)絡(luò)，而LIN則滿足傳感器與執(zhí)行器子系統(tǒng)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)通信需求，并能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化降低成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。 CAN的廣泛使用和LIN推出的同時(shí)，混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝技術(shù)也在不斷發(fā)展，使得在單個(gè)IC上能集成小型汽車(chē)系統(tǒng)所需的全部功能，或更高級(jí)的系統(tǒng)采用幾塊IC來(lái)集成。而代表著汽車(chē)總線的未來(lái)的Flexray總線網(wǎng)絡(luò)，在CAN總線的基礎(chǔ)上，將傳輸速率提高到了10Mb/s，而且通過(guò)優(yōu)化的容錯(cuò)機(jī)制，將可靠性大大提高。上述這些汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與先進(jìn)的混合信號(hào)工藝相結(jié)合，使汽車(chē)制造商能夠推出低成本的新型電子系統(tǒng)，并降低現(xiàn)有系統(tǒng)的成本。上述技術(shù)還能改善維護(hù)工作，提高可靠性，并為汽車(chē)駕乘人員帶來(lái)更便利、更安全的駕駛體驗(yàn)。 汽車(chē)網(wǎng)絡(luò) CAN標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)不斷修訂，已成為系統(tǒng)和 ECU間通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。CAN是一種雙線高速差分總線，規(guī)定的數(shù)據(jù)速率高達(dá)1 Mbps。不過(guò)，通常所用的數(shù)據(jù)速率為125 kbps～500 kbps。CAN采用專用的差分驅(qū)動(dòng)器，可提供正的差分電壓，或?yàn)榭偩€提供高阻抗。這種物理層特性能實(shí)現(xiàn)無(wú)損判優(yōu)，即CAN協(xié)議所定義的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)+沖突解決(CSMA/CD+CR)標(biāo)準(zhǔn)。前一個(gè)消息發(fā)出后，任何節(jié)點(diǎn)都能訪問(wèn)總線。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出消息，那么發(fā)送具有最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)將贏得仲裁，且持續(xù)發(fā)送消息，不會(huì)重新開(kāi)始也不會(huì)丟失任何已發(fā)送數(shù)據(jù)。在ECU中實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通常需要集成CAN協(xié)議控制器和CAN收發(fā)器，以及其他支持電路的微處理器(微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器)。一般說(shuō)來(lái)，上述系統(tǒng)非常復(fù)雜，難以集成于單塊集成電路中。不過(guò)，混合信號(hào)工藝和集成技術(shù)的發(fā)展為我們帶來(lái)了許多系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片和混合信號(hào)ASIC，從而能實(shí)現(xiàn)雙芯片解決方案(MCU和混合信號(hào)器件)，或至少能減少ECU中所需的 IC數(shù)量。 盡管LIN最初面向的是車(chē)身電子應(yīng)用，不過(guò)該技術(shù)正在向新的領(lǐng)域發(fā)展，已應(yīng)用于車(chē)身之外的許多電子電路之中。在現(xiàn)有的汽車(chē)電子總線標(biāo)準(zhǔn)中，LIN為大多數(shù)傳感器與執(zhí)行器提供了最佳通信解決方案。這些傳感器與執(zhí)行器通常專用于單個(gè)系統(tǒng)，我們可將其視為子系統(tǒng)。LIN在汽車(chē)中發(fā)揮子網(wǎng)絡(luò)的功能，能很好地滿足這些子系統(tǒng)的各種需求。LIN的最大數(shù)據(jù)速率為20.0kbps，足以適用于大多數(shù)傳感器與執(zhí)行器。LIN是一種時(shí)間觸發(fā)型主從網(wǎng)絡(luò)，不需要在同時(shí)發(fā)出報(bào)告的設(shè)備間進(jìn)行判優(yōu)。采用單線技術(shù)實(shí)現(xiàn)LIN解決方案減少了線路復(fù)雜度，有助于減輕重量、節(jié)約空間和成本。 LIN聯(lián)盟專為車(chē)輛子網(wǎng)絡(luò)低成本應(yīng)用而定義了該標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)非常適合當(dāng)前混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝的集成能力。由于LIN協(xié)議相當(dāng)簡(jiǎn)單，可通過(guò)異步串行接口(UART/SCI)工作，且從節(jié)點(diǎn)具有自同步功能，能用片上RC振蕩器來(lái)替代晶體或陶瓷振蕩器，因此能大幅節(jié)約成本。這樣，對(duì)通常用于制造汽車(chē)子系統(tǒng)信號(hào)調(diào)節(jié)和輸出IC的混合信號(hào)工藝技術(shù)而言，LIN就是一種非常適用的解決方案。 LIN的主節(jié)點(diǎn)通常是LIN子網(wǎng)絡(luò)到CAN網(wǎng)絡(luò)的橋節(jié)點(diǎn)，每輛車(chē)通常都帶有幾個(gè)LIN子網(wǎng)絡(luò)。LIN主節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度較高，控制和LIN從節(jié)點(diǎn)通常較簡(jiǎn)單，能集成在一個(gè)IC子系統(tǒng)中。 LIN與CAN替代了目前所用的眾多通信技術(shù)，如前代的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案、脈寬調(diào)制和可變脈寬(VPW)等架構(gòu)，它們都是以不同的物理層設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。大多數(shù)非網(wǎng)絡(luò)化方案都是單向的，每個(gè)信號(hào)至少需要一個(gè)專門(mén)的線路。因此，上述架構(gòu)不能滿足雙向通信與診斷的需求，或只能滿足有限的需求。此外，由于上述解決方案通常是專有的，不能充分發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效益，也不能像開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)那樣支持設(shè)計(jì)重復(fù)使用。 先進(jìn)的混合信號(hào)工藝 CAN與 LIN標(biāo)準(zhǔn)的廣泛采用是汽車(chē)電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)，加之目前混合半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域取得的進(jìn)步，這些標(biāo)準(zhǔn)變得更加重要。目前，有些IC制造商利用高速CMOS數(shù)字和先進(jìn)混合信號(hào)/模擬工藝領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)，推動(dòng)系統(tǒng)集成不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了幾年前我們想都不敢想的技術(shù)水平。汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域中有代表性的先進(jìn)混合信號(hào)工藝技術(shù)包括線性Bi-CMOS(LBC或BCD)、高壓CMOS和絕緣硅技術(shù)(SoI)。上述許多種工藝技術(shù)都能為全部汽車(chē)電子實(shí)現(xiàn)單個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)或?qū)⑵浼稍谏贁?shù)IC中，滿足物理層接口、電源、高電壓、數(shù)字邏輯、存儲(chǔ)器以及高精度模擬功能的需求。 對(duì)需要片上智能的系統(tǒng)而言，先進(jìn)混合信號(hào)工藝使我們能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高程度的數(shù)字邏輯、硬布線(hardwired)的數(shù)字處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議引擎和小型微處理器的集成。例如，混合信號(hào)設(shè)計(jì)可包括邏輯功能(狀態(tài)機(jī)與協(xié)議引擎)，可通過(guò)LIN響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)命令來(lái)控制和報(bào)告?zhèn)鞲衅骰驁?zhí)行器的狀態(tài)。這種片上系統(tǒng)集成對(duì)單觸點(diǎn)車(chē)窗玻璃升降器等應(yīng)用非常重要，這種應(yīng)用需要適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)確保窗玻璃不會(huì)夾手，在系統(tǒng)中能發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)告，并能為技術(shù)人員提供診斷信息。 汽車(chē)電子子系統(tǒng)實(shí)例 下面不妨以TI的TPIC1021 LIN-2.0收發(fā)器及基于TI的LBC工藝的穩(wěn)壓器為例，來(lái)說(shuō)明基于LIN標(biāo)準(zhǔn)的電子子系統(tǒng)。你可在LBC工藝中根據(jù)需要集成更多組件，從而建立與汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)連接的片上系統(tǒng)，在低成本、高穩(wěn)定性的IC中集成所有必需功能。典型的片上系統(tǒng)功能包括滿足系統(tǒng)要求的汽車(chē)穩(wěn)壓器、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、傳感器輸入的模擬濾波、電源輸出、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波和控制功能以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器。圖1顯示了基于LBC技術(shù)的完全集成的傳感器子系統(tǒng)實(shí)例。由于實(shí)現(xiàn)了高度集成和電路保護(hù)功能，該器件能夠很好地滿足惡劣汽車(chē)環(huán)境下的有限空間和成本要求。

圖 1. LBC傳感器子系統(tǒng)SoC 圖2給出了用LBC工藝開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片實(shí)例，它能減少前代執(zhí)行器子系統(tǒng)所需的半導(dǎo)體器件的數(shù)量，并增加了新的功能。這樣的子系統(tǒng)可在LIN子網(wǎng)絡(luò)中與如圖1所示的傳感器子網(wǎng)絡(luò)共存并協(xié)同工作。該系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片集成了汽車(chē)穩(wěn)壓器、電壓監(jiān)控器和復(fù)位電路，以及可連接到用戶開(kāi)關(guān)的高壓接口、高側(cè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)用于繼電器的低側(cè)驅(qū)動(dòng)器(可控制馬達(dá)或大電流負(fù)載)、控制回路反饋的運(yùn)算放大器、保護(hù)電路系統(tǒng)以及符合LIN 2.0標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器。該器件直接與系統(tǒng)的微控制器連接，而微控制器則提供有關(guān)控制算法，實(shí)現(xiàn)避免車(chē)窗玻璃升降夾手等，還為子系統(tǒng)提供LIN協(xié)議的處理功能。

圖2：LBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC) 對(duì)其他應(yīng)用而言，同一混合工藝技術(shù)能在兩個(gè)器件中集成有關(guān)功能模塊，從而增加新的功能，其中包括單軌和多電壓軌的低壓降和開(kāi)關(guān)電壓穩(wěn)壓器、高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的不同配置，多種運(yùn)算放大器、數(shù)字邏輯以及 LIN和CAN等汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)接口。電源輸出模塊包括H橋、DC有刷智能驅(qū)動(dòng)器和三相DC有刷電機(jī)以及繼電器驅(qū)動(dòng)器等。上述IC廣泛用于多種汽車(chē)應(yīng)用之中，其中包括底盤(pán)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)座椅、電動(dòng)后視鏡、門(mén)鎖、刮雨器、除霜器、車(chē)窗玻璃、天線升降設(shè)備、暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)， 以及各種滿足用戶舒適和安全需求的電子系統(tǒng)等。 汽車(chē)電子系統(tǒng)的好處 采用標(biāo)準(zhǔn)化的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和集成度更高的混合信號(hào) IC為我們提供了諸多系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。 首先，提高了系統(tǒng)穩(wěn)健性并增強(qiáng)診斷功能。通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)用于雙向通信系統(tǒng)，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，我們就能立即獲得診斷與故障信息。由于不再采用專有技術(shù)接口，因此我們可根據(jù)已知的、可靠的標(biāo)準(zhǔn)使用通用的通信方案，便于系統(tǒng)及軟件開(kāi)發(fā)，并提高了今后系統(tǒng)和軟件的重復(fù)使用性。 其次，可減少布線要求。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們只需三根到四根線(LIN：電池、接地和 LIN；CAN：電池、接地、CANH和CANL)就能滿足特性豐富、具備診斷功能的系統(tǒng)需要。由于減少了布線要求，因此可以降低成本、減輕重量、簡(jiǎn)化安裝工作，并減少潛在的故障來(lái)源。 集成還帶來(lái)其他優(yōu)勢(shì)和節(jié)省。由于提高了系統(tǒng)集成度，PCB和封裝可以更小型化，從而改善汽車(chē)中電子設(shè)備的位置布局，提高靈活性，并減少了布線方面的麻煩。通過(guò)減少組件數(shù)量，還能降低庫(kù)存，減輕質(zhì)檢和監(jiān)控的工作量。上述因素還有助于減輕重量，減小體積，這些都是汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。 上述技術(shù)發(fā)展使我們?cè)谔岣咂?chē)系統(tǒng)的智能與功能方面邁出了新的一步。新一代混合信號(hào)汽車(chē) IC 將具有更高的性能、更強(qiáng)大的處理能力、更高的靈活性及可編程性，從而可滿足未來(lái)汽車(chē)電子系統(tǒng)的各種需求。