半導(dǎo)體使汽車設(shè)計(jì)大規(guī)模變革

安森美半導(dǎo)體進(jìn)入汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域已有20多年的歷史了——確切地說是半個(gè)多世紀(jì)！在這段時(shí)間里，汽車發(fā)生了不可估量的變化，而且，在大多數(shù)領(lǐng)域，變化的步伐正在加快，因此需要更多創(chuàng)新的技術(shù)方案以支持汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型。

如果回想20年前，購(gòu)車大眾的愿望和決策標(biāo)準(zhǔn)幾乎與車輛本身一樣發(fā)生了變化。在千禧之交，消費(fèi)者主要對(duì)汽車的性能、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸以及汽車的品牌感興趣。如今，這些特性，尤其是信息娛樂和“聯(lián)接”特性、排放水平、安全性和質(zhì)量已成為決策標(biāo)準(zhǔn)的重中之重。

安全性一直是購(gòu)買汽車的消費(fèi)者的考慮因素，但人們的期望已經(jīng)改變。二十年前，安全特性主要是被動(dòng)的，例如安全氣囊和壓潰區(qū)，而現(xiàn)在，安全性更主動(dòng)，通過采用技術(shù)以主動(dòng)預(yù)防事故。

現(xiàn)代汽車配備傳感器來監(jiān)視車輛運(yùn)行的幾乎每個(gè)方面，其內(nèi)部和外部環(huán)境，駕駛員以及所有乘客，駕駛員和乘客監(jiān)視是相對(duì)較新的進(jìn)展。20年前的主要傳感器僅監(jiān)視車輪的旋轉(zhuǎn)，從而允許引入早期系統(tǒng)來控制制動(dòng)和牽引力。如今，即使在入門級(jí)車型上，車輛也包含多達(dá)一百多個(gè)傳感器。

據(jù)IHS Markit，今天的車輛具有更長(zhǎng)的預(yù)期壽命，這在很大程度上要?dú)w功于現(xiàn)代車輛所采用的技術(shù)和控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不僅可以提供更平穩(wěn)的換檔，更低的排放以及更好的能效和安全性，而且還可以防止導(dǎo)致車輛過早磨損的過度駕駛。因此，車輛的平均預(yù)期壽命從千禧之交的9.6年增加到現(xiàn)在的12年左右。此外，現(xiàn)代先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）防止四分之一以上的碰撞（根據(jù)Boston Consulting Group的研究），從而進(jìn)一步延長(zhǎng)了車輛的使用壽命。

圖1 半導(dǎo)體是現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)

汽車行業(yè)的快速變化步伐

汽車領(lǐng)域的變革步伐從未如此之快。雖然可以購(gòu)買新的內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛的日子已經(jīng)指日可數(shù)了，但這些車輛的創(chuàng)新仍在繼續(xù)，以提高安全性、能效并消除其產(chǎn)生的污染。汽車的未來顯然是在電力領(lǐng)域，輕度混合動(dòng)力汽車（MHEV）、插電式/混合動(dòng)力汽車（PHEV/HEV）和電池電動(dòng)汽車（BEV）的銷量正在增長(zhǎng)，盡管許多人希望這一增長(zhǎng)比目前更快。

車輛的幾乎每個(gè)方面都在發(fā)生變化–汽油動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)正在變成電動(dòng)的，這本身就推動(dòng)了整個(gè)車輛結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變化，要求電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）以及冷卻風(fēng)扇等領(lǐng)域取代機(jī)械驅(qū)動(dòng)的泵。實(shí)際上，許多機(jī)械、機(jī)電和液壓系統(tǒng)已被完整的電氣/電子系統(tǒng)所取代。由于這些新方案通常比以前的方案更小、更輕、更高效，更可靠，因此它們也用于ICE車輛，以減少化石燃料車輛的排放。

除了提高能效外，汽車廠商還堅(jiān)定地關(guān)注其車輛的安全性。研究表明，所有事故中超過90％可歸因于駕駛員，因此汽車廠商的安全工作集中在協(xié)助駕駛員并最終接管駕駛的系統(tǒng)上，這在一段時(shí)間內(nèi)是一種功能，直到車輛完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

圖2 每輛車的半導(dǎo)體含量，按汽車類型【來源：iSuppli】

半導(dǎo)體在車輛中的重要性

車輛中的創(chuàng)新有五分之四與電子相關(guān)，因此依賴某種形式的半導(dǎo)體器件。因此，根據(jù)McKinsey and Company的一份報(bào)告，汽車廠商每年在半導(dǎo)體器件上的支出約為240億美元。盡管汽車領(lǐng)域每年以約8％的速度增長(zhǎng)，但某些領(lǐng)域的增長(zhǎng)速度更快，特別是ADAS和自動(dòng)駕駛（18％）、LED照明（24％）和電動(dòng)汽車（42％）。

車輛包含的電子含量比以往任何時(shí)候都多，美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（SAE）二級(jí)EV約有580美元主要用在圖像傳感器、雷達(dá)傳感器、分立開關(guān)器件、電源模塊和照明。然而，隨著LiDAR以及傳感器融合、寬禁帶（WBG）器件和激光照明技術(shù)的加入，預(yù)計(jì)這在4級(jí)EV中將增加兩倍至1,760美元。

在普通車輛中，三分之二的半導(dǎo)體成分來自模擬器件、功率器件和傳感器。上述每個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域由越來越多推出的ADAS系統(tǒng)、進(jìn)一步的汽車功能電子化和精密的照明系統(tǒng)推動(dòng)著增長(zhǎng)。

半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，包括高性能寬禁帶(WBG)器件在商業(yè)上的可用性不斷提高，以及EV動(dòng)力總成的迅速發(fā)展，從一代車輛到下一代車輛的設(shè)計(jì)常常發(fā)生重大變化。半導(dǎo)體領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新使汽車廠商能夠減少排放/增加電動(dòng)汽車的行駛里程，提高自主性并減少關(guān)鍵電子系統(tǒng)的尺寸和重量，從而使最新一代的汽車對(duì)購(gòu)車大眾更具吸引力。

圖3 未來的車輛將包含幾十個(gè)基于視覺的傳感器

汽車半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入未來

就全自動(dòng)駕駛而言，視覺和雷達(dá)傳感器是同樣重要的感知技術(shù)，因?yàn)樵S多系統(tǒng)（防撞、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道保持、標(biāo)志識(shí)別、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）等）都依賴于車輛檢測(cè)并識(shí)別周圍環(huán)境的能力。車艙中越來越多地使用視覺傳感器來監(jiān)視駕駛員和乘員，從而進(jìn)一步提高了舒適性和安全性。實(shí)際上，自動(dòng)駕駛汽車可含多達(dá)40個(gè)這樣的傳感器。

未來，更多的車輛將擁有包含圖像傳感器、超聲波傳感器、雷達(dá)和激光雷達(dá)（LiDAR）的系統(tǒng)，通過傳感器融合提高有效性、冗余性和魯棒性，而互補(bǔ)技術(shù)將協(xié)同工作以確保在所有環(huán)境條件下都能完美運(yùn)行。

在動(dòng)力總成系統(tǒng)中，在惡劣環(huán)境下的能效和可靠性將仍是主要重點(diǎn)。消費(fèi)者單次充電的成本和續(xù)駛里程與電動(dòng)汽車的成功緊密相關(guān)，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）將在提供前所未有的能效水平方面發(fā)揮重要作用，尤其是在動(dòng)力總成和車載充電系統(tǒng)中。盡管分立方案是眾所周知的，但將電源開關(guān)IGBT和MOSFET及其相關(guān)的門極驅(qū)動(dòng)器以及溫度和電流檢測(cè)集成在一起的模塊方案（如功率集成模塊（PIM）或智能功率模塊（IPM））將顯著地優(yōu)化系統(tǒng)。

照明將得益于越來越強(qiáng)大的智能，基于LED的系統(tǒng)將繼續(xù)提供更高能效的工作以及更大的功能。自適應(yīng)大燈將智能地為駕駛員照亮前方的道路，同時(shí)確保迎面而來的駕駛員不會(huì)眼花。重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到尾燈上，先進(jìn)的基于LED的燈將變成動(dòng)畫，提供更清晰的方向指示，并且剎車燈將調(diào)節(jié)其強(qiáng)度以反映制動(dòng)力，從而提高道路安全性。將來，全自動(dòng)駕駛汽車不僅將使用車燈去“看”，而且還將作為與外界交流的一種方式。

車輛中最重的物品之一是將所有單獨(dú)的模塊化子系統(tǒng)連接在一起的布線。隨著越來越多的電子系統(tǒng)被添加，并且由于數(shù)據(jù)內(nèi)容呈指數(shù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)量激增，這些過時(shí)的線束變得更重、更昂貴并且完全不足。車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）將提供傳輸數(shù)據(jù)所需的帶寬，同時(shí)又足夠精密，以確保所有與安全相關(guān)的消息都以高優(yōu)先級(jí)且無延遲地傳輸。

車輛復(fù)雜性不斷提高，與其他車輛和周圍基礎(chǔ)設(shè)施（如智能城市）的通信變得普遍，車輛架構(gòu)將發(fā)生變化。以太網(wǎng)很可能會(huì)成為主導(dǎo)的IVN技術(shù)，從而促進(jìn)從基于信號(hào)的通信向面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)的過渡。

總結(jié)

汽車和汽車行業(yè)正在發(fā)生不可估量的變化。許多機(jī)械和液壓系統(tǒng)將被提高能效、安全性和舒適性的電子等效物所取代。半導(dǎo)體將是這些進(jìn)步的關(guān)鍵，并且隨著電動(dòng)汽車的興起，半導(dǎo)體將成為所有汽車中最重要的器件。安森美半導(dǎo)體將繼續(xù)在這更安全、更綠色的未來發(fā)揮重要和有價(jià)值的作用，安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器已經(jīng)每小時(shí)挽救9條生命，或每年挽救81,000條生命！