半导体使汽车设计大规模变革

2020-11-20 14:57:35 安森美半导体

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安森美半导体进入汽车半导体领域已有20多年的历史了——确切地说是半个多世纪！在这段时间里，汽车发生了不可估量的变化，而且，在大多数领域，变化的步伐正在加快，因此需要更多创新的技术方案以支持汽车行业的转型。

如果回想20年前，购车大众的愿望和决策标准几乎与车辆本身一样发生了变化。在千禧之交，消费者主要对汽车的性能、发动机尺寸以及汽车的品牌感兴趣。如今，这些特性，尤其是信息娱乐和“联接”特性、排放水平、安全性和质量已成为决策标准的重中之重。

安全性一直是购买汽车的消费者的考虑因素，但人们的期望已经改变。二十年前，安全特性主要是被动的，例如安全气囊和压溃区，而现在，安全性更主动，通过采用技术以主动预防事故。

现代汽车配备传感器来监视车辆运行的几乎每个方面，其内部和外部环境，驾驶员以及所有乘客，驾驶员和乘客监视是相对较新的进展。20年前的主要传感器仅监视车轮的旋转，从而允许引入早期系统来控制制动和牵引力。如今，即使在入门级车型上，车辆也包含多达一百多个传感器。

据IHS Markit，今天的车辆具有更长的预期寿命，这在很大程度上要归功于现代车辆所采用的技术和控制系统。这些系统不仅可以提供更平稳的换档，更低的排放以及更好的能效和安全性，而且还可以防止导致车辆过早磨损的过度驾驶。因此，车辆的平均预期寿命从千禧之交的9.6年增加到现在的12年左右。此外，现代先进驾驶辅助系统（ADAS）防止四分之一以上的碰撞（根据Boston Consulting Group的研究），从而进一步延长了车辆的使用寿命。

汽车行业的快速变化步伐

汽车领域的变革步伐从未如此之快。虽然可以购买新的内燃机（ICE）车辆的日子已经指日可数了，但这些车辆的创新仍在继续，以提高安全性、能效并消除其产生的污染。汽车的未来显然是在电力领域，轻度混合动力汽车（MHEV）、插电式/混合动力汽车（PHEV/HEV）和电池电动汽车（BEV）的销量正在增长，尽管许多人希望这一增长比目前更快。

车辆的几乎每个方面都在发生变化–汽油动力传动系统正在变成电动的，这本身就推动了整个车辆结构的进一步变化，要求电动机在电动助力转向（EPS）以及冷却风扇等领域取代机械驱动的泵。实际上，许多机械、机电和液压系统已被完整的电气/电子系统所取代。由于这些新方案通常比以前的方案更小、更轻、更高效，更可靠，因此它们也用于ICE车辆，以减少化石燃料车辆的排放。

除了提高能效外，汽车厂商还坚定地关注其车辆的安全性。研究表明，所有事故中超过90％可归因于驾驶员，因此汽车厂商的安全工作集中在协助驾驶员并最终接管驾驶的系统上，这在一段时间内是一种功能，直到车辆完全实现自动驾驶。

半导体在车辆中的重要性

车辆中的创新有五分之四与电子相关，因此依赖某种形式的半导体器件。因此，根据McKinsey and Company的一份报告，汽车厂商每年在半导体器件上的支出约为240亿美元。尽管汽车领域每年以约8％的速度增长，但某些领域的增长速度更快，特别是ADAS和自动驾驶（18％）、LED照明（24％）和电动汽车（42％）。

图1：半导体是现代汽车电子系统的基础

车辆包含的电子含量比以往任何时候都多，美国汽车工程学会（SAE）二级EV约有580美元主要用在图像传感器、雷达传感器、分立开关器件、电源模块和照明。然而，随着LiDAR以及传感器融合、宽禁带（WBG）器件和激光照明技术的加入，预计这在4级EV中将增加两倍至1,760美元。

在普通车辆中，三分之二的半导体成分来自模拟器件、功率器件和传感器。上述每个产品领域由越来越多推出的ADAS系统、进一步的汽车功能电子化和精密的照明系统推动着增长。

图2：每辆车的半导体含量，按汽车类型【来源：iSuppli】

半导体技术的飞速发展，包括高性能宽禁带(WBG)器件在商业上的可用性不断提高，以及EV动力总成的迅速发展，从一代车辆到下一代车辆的设计常常发生重大变化。半导体领域的持续创新使汽车厂商能够减少排放/增加电动汽车的行驶里程，提高自主性并减少关键电子系统的尺寸和重量，从而使最新一代的汽车对购车大众更具吸引力。

汽车半导体技术进入未来

就全自动驾驶而言，视觉和雷达传感器是同样重要的感知技术，因为许多系统（防撞、盲点检测、车道保持、标志识别、自动紧急制动（AEB）等）都依赖于车辆检测并识别周围环境的能力。车舱中越来越多地使用视觉传感器来监视驾驶员和乘员，从而进一步提高了舒适性和安全性。实际上，自动驾驶汽车可含多达40个这样的传感器。

图3：未来的车辆将包含几十个基于视觉的传感器

未来，更多的车辆将拥有包含图像传感器、超声波传感器、雷达和激光雷达（LiDAR）的系统，通过传感器融合提高有效性、冗余性和鲁棒性，而互补技术将协同工作以确保在所有环境条件下都能完美运行。

在动力总成系统中，在恶劣环境下的能效和可靠性将仍是主要重点。消费者单次充电的成本和续驶里程与电动汽车的成功紧密相关，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）将在提供前所未有的能效水平方面发挥重要作用，尤其是在动力总成和车载充电系统中。尽管分立方案是众所周知的，但将电源开关IGBT和MOSFET及其相关的门极驱动器以及温度和电流检测集成在一起的模块方案（如功率集成模块（PIM）或智能功率模块（IPM））将显著地优化系统。

照明将得益于越来越强大的智能，基于LED的系统将继续提供更高能效的工作以及更大的功能。自适应大灯将智能地为驾驶员照亮前方的道路，同时确保迎面而来的驾驶员不会眼花。重点将转移到尾灯上，先进的基于LED的灯将变成动画，提供更清晰的方向指示，并且刹车灯将调节其强度以反映制动力，从而提高道路安全性。将来，全自动驾驶汽车不仅将使用车灯去“看”，而且还将作为与外界交流的一种方式。

车辆中最重的物品之一是将所有单独的模块化子系统连接在一起的布线。随着越来越多的电子系统被添加，并且由于数据内容呈指数增长，数据速率和数据量激增，这些过时的线束变得更重、更昂贵并且完全不足。车载网络（IVN）将提供传输数据所需的带宽，同时又足够精密，以确保所有与安全相关的消息都以高优先级且无延迟地传输。

车辆复杂性不断提高，与其他车辆和周围基础设施（如智能城市）的通信变得普遍，车辆架构将发生变化。以太网很可能会成为主导的IVN技术，从而促进从基于信号的通信向面向服务的体系结构的过渡。

总结

汽车和汽车行业正在发生不可估量的变化。许多机械和液压系统将被提高能效、安全性和舒适性的电子等效物所取代。半导体将是这些进步的关键，并且随着电动汽车的兴起，半导体将成为所有汽车中最重要的器件。安森美半导体将继续在这更安全、更绿色的未来发挥重要和有价值的作用，安森美半导体的图像传感器已经每小时挽救9条生命，或每年挽救81,000条生命！

关键词：半导体汽车电子安森美