2010年的汽车电子卖点及设计挑战

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        中国的汽车产业在今年很有可能触及或跨越年产销一千万辆这个门槛,事实上在实现这个目标以前,中国就已经成为仅次于美国的全球第二大汽车市场。在当前的汽车中,汽车电子系统所占的比重越来越大,很多特色化的功能都是依赖汽车电子技术来实现的,如果说在制造数量上我们已经占据了非常重要的位置,那么具体到汽车电子行业,我们又该如何和国际同行们实现同步呢?在本世纪第一个十年的最后两年,有哪些汽车电子应用会成为热点,实现这些应用又将面临哪些挑战?笔者就此问题遴选了几大热点应用采访了相关的一些业内专家,希望可以对中国从事汽车电子系统设计的读者有所帮助。这些热点应用包括自适应汽车前照灯、LED尾灯和HID前灯、智能化的无钥进入系统、可视和雷达倒车系统等。

        AFS为保障驾驶安全增添砝码

        车灯对保障驾驶安全所起到的作用是显而易见的,而在实际应用中,传统的前照灯系统存在着诸多问题。例如,现有近光灯在近距离上的照明效果不佳;还有对于车辆转弯时存在的照明暗区以及车辆在雨天行驶时地面积水的反射眩光问题,现有前照灯系统都不能很好的解决或改善。自适应汽车前照灯(Adaptive Front Lighting System, AFS)系统所带来的变革则可以帮助驾驶者轻松面对这些问题。

        所谓AFS就是指能自动改变两种以上的光型以适应车辆行驶条件变化的前照灯系统。据飞思卡尔全球汽车市场总监Steven Nelson先生表示:“目前,市场上的AFS有很多类型,包括从相对便宜的水平系统到所谓的灯光“弯曲”应用。水平系统基于车辆的载重调节灯光的垂直瞄准,这类系统在欧洲受到了管制。更先进的“弯曲”应用则可以根据车辆载重、加速/减速、方向盘角度、天气条件等信息,动态地更改灯光瞄准或光束模式。这类系统一般由步进马达控制。”举例来说,如在弯道行使时,传统前灯的光线因为和车辆行驶方向保持一致,所以难免存在照明的暗区。一旦在弯道上存在障碍物,极易引发交通事故,此时AFS则会产生旋转光型的光线,给弯道以足够的照明。

        瑞萨电子(上海)有限公司汽车电子市场中心总经理崛田慎吉先生表示:“有两类控制可以改变前大灯的方向。一类需要真正转动短焦距前大灯,另一类不是转动前灯,而是转动反光镜。但无论哪种情况,都需要增加电机和变速箱。决定转动角度的输入信号为转向角、车辆速度信号、方向灯以及倒转开关等。”对传感信号的处理、前大灯角度的计算以及对电机的控制等是由MCU、传感器和电机驱动器来完成的。现有的汽车电子系统已经可以采集转向角信号、车速等信息并具备了方向灯和倒转开关等器件,而对电机的控制则与其它电机没有区别。崛田慎吉还表示:“AFS在设计上的挑战主要在于定义规格、进而决定AFS如何工作以及MCU软件的设计。在AFS方面,瑞萨的MCU已经在许多日本汽车上应用了五年之久。瑞萨能提供16位MCU/M16C系列和R8C系列,以满足客户的不同需求。”

         对于AFS下一步的发展趋势,崛田慎吉认为在未来的AFS中,一些汽车制造商正在考虑集成图像识别功能,以检测行人、车辆和路边障碍物。在此应用中,需要带有图像识别功能的32位处理器。瑞萨适用于自适应巡航控制(ACC)和车道偏离警告系统(LDWS)的产品SH7774同样适用于未来的AFS。在更新的系统中也开始采用LED转向灯,在这类系统中,有一系列可以操纵的LED来提供水平、弯曲等功能,因此不再需要马达支持。

        LED、HID在汽车车灯应用中大放异彩 

        据凌力尔特公司电源产品市场经理Tony Armstrong介绍,发光二极管(LED)被应用于汽车尾灯已经有十多年的历史。而安华高科技光电子产品部汽车LED产品市场经理Boon-Hooi Lim先生表示:“已经有越来越多的汽车在整个车尾组合灯具(RCL)(包括停车灯、转向灯、尾灯和反光灯等)中使用LED。”Tony Armstrong还介绍:“高强度放电灯(High Intensity DischargeLamp, HID)灯包括所有在普通照明中使用的高强度气体放电灯,而用于汽车中的HID主要指HID氙气灯,通常被用作汽车前照灯。”

         为什么要在汽车车灯中使用LED,世强电讯的专家表示:“与传统的车用信号灯(如白炽灯)等相比,LED具有节能、寿命长、免维护、防爆、易控制和环保等优点,加上LED自身独立的冷光特性,使得灯具的外形不会因为长期受热而变形,从而提高整套灯具的寿命。而且随着技术的革新和市场的兴起,当前困扰LED的发光功率和成本这两大瓶颈问题也都将得到解决。”
         据Tony Armstrong先生介绍用于汽车尾灯的LED主要是红光LED,它们在把电能转换为光输出方面具有非常高的效率。因此困扰LED应用的散热对红光LED来说不是问题。Boon-Hooi Lim也表示:“散热不再是LED尾灯系统设计中最大的挑战。随着越来越多功率从0.25~1W、甚至更高功率的LED涌向市场,汽车尾灯设计师很容易根据设计风格和可用散热空间对LED做出正确的选择。”他还表示:“最近发布的大多数LED尾灯设计从0.25W和1W LED转向了0.5W,因为0.5W产品提供了极具竞争力的成本与流明性能比,非常适合大多数汽车尾灯使用。”安华高在2008年二月就发布了非常适合汽车尾灯照明使用的超级0.5W PLCC-4表贴LED。

         LED尾灯应用的主要难题是在所有的运行状况下保持一致的亮度。飞兆半导体公司车身电子/智能开关产品总监Gary Wagner表示:“为了保持一致的亮度,需要准确的电流控制。而为了提供无闪烁得运行,良好的线路调整也非常必要。最好的方法是使用电流控制的升压转换器,将LED串联起来,形成两个或更多的并行LED串,用于冗余设计。飞兆半导体提供广泛的功率元件以应对以上汽车照明设计的挑战。”安森美半导体资深应用工程师Brian Blackburn则表示:“LED组合尾灯要获得广泛应用,恰当的驱动器设计非常重要,其中采用线性类型的驱动器能够限制功率耗散,而只有LED在功率耗散方面受到限制,所谓的长寿命才能够实现,安森美的驱动器正可以很好的限制功率耗散。”
对于前灯应用,据世强电讯的专家介绍:“HID因其亮度高、寿命长、节能、色温性好、安全可靠等优点,已经成为奔驰、宝马等一流名车的标准配置。”HID前灯是由灯泡本身、触发单元和控制单元或镇流器组成的。由于靠近发热的灯泡,并且要经受车辆行驶中的振动,这些元器件要求具有温度稳定性和机械稳固性。就此埃普克斯的汽车薄膜电容产品市场经理Martina Auer表示:“埃普克斯的薄膜电容可以耐受高达150℃的工作温度,存储温度可达170℃。且不同的引脚版图允许系统经过优化提供最高的机械稳定性。6kV/μs的脉冲宽度使得薄膜电容特别适用于触发电路。”

         除此之外,飞兆的Gary Wagner表示:“因为需要缩减整个HID系统的体积,如何应对功率密度和EMI要求成为设计上的挑战世强电讯的专家也表示:“把HID灯用作汽车大灯,有两个关键问题需要解决:

        1. HID镇流器的EMC问题;

         2. HID的镇流器的控制部分必须具有很强的适应性,能适应冷灯、热灯,以及各种不同品牌的灯,并具有对一些故障的智能保护功能。”世强电讯有基于SILABS MCU的单芯片全数字HID镇流器解决方案。对于EMC问题,该方案除了充分考虑传统的EMI抑制措施外,还采用先进的扩频控制技术(变频变占空比),让干扰信号在某一频段上的能量不能累积,从而减小EMI的影响。对于控制部分,该方案采用SILABS的高速MCU,用一颗单芯片实现了冷热灯识别、灯点亮、恒功率控制、PWM输出、故障处理等功能,具有优秀的适应性。

        除了HID氙气灯被用于前灯应用,高亮度(HB)的LED也可以被用该类应用当中。Tony Armstrong先生表示:“HID氙气灯的生产制造成本非常昂贵,因此其用途仅限于高档车辆。随着技术的进步,近期推出了HB LED,因此HID氙气灯的使用量将迅速减少。”飞兆的Gary Wagner则表达了并非完全相同的观点,他表示:“未来LED头灯很可能代替HID头灯,但用于头灯的LED距离真正的商业化还需5~10年时间,目前LED头灯仍存在成本问题,比HID头灯要贵4~5倍。”看来不管是HID头灯还是LED头灯都面临着成本过高的问题,因此目前LED头灯被首先应用在高端的豪华车型中,如雷克萨斯、奥迪和卡迪拉克等,即使是这样LED前灯也只是主要被用作白天行车灯(DRL),然后是集中在高档汽车上用的近光灯,而要想在更多的新款汽车上看到前灯使用LED作远光灯尚需一定的时日。不过LED头灯可降低电能使用需求,将运行头灯所需要的功率瓦数由120瓦大幅减少至近40瓦;另外LED还能够被融入到非常纤薄的造型线条之中,这些都是促进汽车厂商在前灯中使用它的推动力。
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