车身电子市场的主要趋势和创新动力

汽车电子元器件市场覆盖率今后几年有望持续增长，主动/被动安全系统、增强型人机界面(抬头显示器、触摸屏等)和车身便利功能领涨。值得一提的是，市场对更高品质汽车的需求将会拉动高端汽车销量增长。在2013~2018年间，中国汽车电子市场预计增长最快，年复合增长率有望达到3.5%。

随着汽车电子化水平不断提高，汽车系统将会变得更加复杂，这将对车身电子系统构成影响，同时还给电子系统架构定义和有特殊应用要求/需求的设计带来不小的挑战：

●电力负载数量增多、空间和重量双双降低，将挑战印刷电路板散热处理能力。

●为最大限度减少印刷电路板上的线路数量和所需的应用资源，固态电源开关需要简单的诊断功能。

●ECU之间和ECU与电力负载之间的线路数量需要优化和最小化，以抵消因总体复杂性提高而增加的线路数量和重量 。

●电气线束截面及重量也需要优化和最小化，以抵消因总体复杂性提高而增加的线路数量和重量。

●待机电流需要最小化 。

●可靠性需要最大化 。

车身控制模块的功率密度和应用微控制器资源的最小化

如前文所述，因为车身控制模块管理的负载数量日益增加，而车身控制模块的重量和尺寸不断降低时，车身控制模块本身的功率密度将会大幅提高。因此，控制系统性能即监测负载功耗和印刷电路板/器件温度非常重要。值得注意的是，监测每个负载的功耗和温度对监测应用微控制器的计算能力提出了更高的要求。

意法半导体(ST)最新的VIPower M0-7系列高边驱动器(HSD)按照应用要求改进了诊断反馈，使用一个叫做多传感器引脚的模拟输出，可监测最多4路(负载)工作电流、电池电压和设备散热器温度，微控制器资源占用很少。新高边驱动器具有如下优势：

●通过最大限度减少外部元器件和印刷电路板上控制级与执行级之间的连线数量，简化印刷电路板设计。

●在开发阶段，通过功率器件执行印刷电路板热图分析，简化车身控制模块的功能优化过程。

●在模块制造完成后检查焊接过程 。

●当模块过热时，智能 “配电”可选择性关闭相关负载。

●强化的断态实时诊断功能(甚至可以发现断态器件的异常过热)。

最大限度降低连线数量和线束截面

根据意法半导体估算，在机电式继电器被大量电子开关取代后，汽车电气线束的截面可缩小二分之一，车身控制模块中的保险使用量也大幅降低，为印刷电路板节省更多的空间，降低重量。

图1是一个典型的使用继电器控制的照明系统电路图。


图1：继电器控制的照明系统电路图。

为最大限度减少保险使用量，通常的做法是将负载集中安装，以便共用一个保险。以两个转向灯为例讨论这个问题，显然，所选保险的额定值必须能够承受所有负载同时工作所需的最大工作电流(在本例中：最大工作电流为 21W+21W+5W的2倍)。为确(本例中是15A)更高的短路电流。因此，布线设计必须考虑总体负载而不是单个线路负载。显然，理论上可通过一个负载一个保险的方法解决这个问题，但是这个解决办法对成本、重量和空间的要求很高，特别是考虑到前文提到的汽车便利性负载数量日益增加的趋势。

图2所示是三条电流-时间曲线:

●截面0.5mm2的铜线能够承受的脉冲电流，该脉冲电流与脉冲时长是函数关系。

●当施加与电流脉冲振幅呈函数关系的脉冲电流时， VND7020进入热关断模式所用时间。

●转向灯负载(两只21W灯泡及1个5W灯泡)曲线(典型)。


图2：不同状态的电流-时间曲线图。

从图中可以看出，VND7020曲线位于负载和线缆曲线之间，表示工作条件正常，未进入热关断模式，当出现过载(例如短路)时，该器件可以保护线缆。

这个多通道器件的每个通道都具有保护功能，开发人员可根据负载特点选择线缆，同时可通过电子技术保护线缆，保险被替代可进一步节省空间，降低重量，节省成本。例如，如果使用高边驱动器，负载连接可如图3进行修改。

优化系统成本

过去几年，车身控制模块的复杂性和市场期待的系统功能局限于数量有限的负载驱动和较弱的诊断功能，因此，降低系统成本的压力主要集中在这些为数不多的负载所需的驱动芯片。如前文所述，这种局面正在快速改变。车身电脑驱动的负载数量的增加以及车企对提高诊断和安全性的迫切要求导致汽车系统变得更加复杂，将降低成本的关注点从单纯的半导体转向汽车的总系统成本。

在尺寸确定的印刷电路板上，提高模块复杂性对电子元器件的集成度有更高的要求。这一趋势在智能电源开关上最为明显，设备必须集成更多的智能功能(例如保护和诊断)，同时压缩芯片和封装的尺寸，最大限度降低印刷电路板尺寸、重量和成本。意法半导体的高边驱动器推动这一市场趋势， 从历史上看，每一代VIPower-M0技术都将芯片尺寸缩小40%~ 50%，这为使用更小的封装提供了可能，例如，PowerSSO-16。这个新封装的面积为20 mm2，能够容纳多颗M0-7 HSD开关，单通道开关导通电阻最低10mΩ，四通道开关导通电阻最低50m欧。

虽然芯片尺寸变小，但是散热性能并没有因此而受到影响，意法半导体的芯片制造技术和封装技术使PSSO-16封装具有出色的热性能表现(在4层印刷电路板上，热阻RTH为21℃/W)。

从降低总拥有成本角度看，车企要求车身电子系统必须支持模块化(例如，大众的MQB平台)。通过让车企在不同汽车市场和车型上重复使用同一印刷电路板，模块化解决方案可降低设计、测试、制造等环节的成本，提高产品质量，缩短研发周期。

为满足这个要求，意法半导体VIPower M0高边驱动器同代产品引脚对引脚兼容，软件相互兼容，在M0-5产品上出现的扩展性在M0-7上改进升级，大约70%的在售产品共用同一封装(PPSO-16)，覆盖不同的导通电阻值和通道数量(PSSO16有单通道或双通道产品)。这些特性可提高模块再用性，只要在生产过程中焊接不同的驱动器，即可通过同一个印刷电路板设计驱动不同的电气负载。

开发人员通过使用热分析软件工具，确定适合的印刷电路板尺寸、器件选型和物理定位，可进一步降低车身控制模块的总开发成本。意法半导体在热分析领域积累了丰富的测试经验，如果客户需要，能够提供专门的负载兼容报告、负载模块划分支持和印刷电路板热性能改进方案。


图3：使用高边驱动器的负载连接图。