是否真的有綠色汽車？
原油價格上升及全球氣候的明顯變化增強(qiáng)了消費(fèi)者對生態(tài)環(huán)境的意識 (ecological awareness)。但即便如此，汽車工業(yè)仍然在不斷發(fā)展。那么，是否真的有所謂的綠色汽車呢？這當(dāng)然是沒有的，或者說，目前還沒有。不過，情況也不至于這樣差，例如現(xiàn)有引擎的功率比20年前增大了許多倍，但油耗卻減少了差不多三分之一。
降低油耗的因素 ?
汽車的重量和其電子系統(tǒng)是降低油耗、進(jìn)而減少二氧化碳 (CO2) 排放的主要因素。30多年前，幾乎沒聽說過諸如電動助力轉(zhuǎn)向，主動和被動安全或空調(diào)之類的系統(tǒng)，而如今這些功能甚至在各種基本汽車型款上都成了不可缺少的組成部分。正是這類 (以及許多其它的) 功能構(gòu)成了汽車額外重量的主要部分。在非電子部分，汽車業(yè)已經(jīng)發(fā)揮盡降低油耗的潛力。首先，車漆用量比過去減少了好幾倍，然后車體鋼板厚度也減到最小，并且有些部分使用輕得多的材料 (如塑料、鋁材，甚至碳纖化合物) 來替代。在可能的情況下，甚至玻璃也被輕得多的聚碳酸酯材料代替。
LIN總線的作用
因此，要進(jìn)一步降低油耗只能借助于智能電子技術(shù)。在這個領(lǐng)域中，汽車總線系統(tǒng)扮演著一個重要的角色，它們不僅能減少連接線路本身 (因而減輕車重)，而且還能使LIN節(jié)點(diǎn)更加智能化，讓各節(jié)點(diǎn)在無需工作時關(guān)斷。
LIN網(wǎng)絡(luò)只是眾多汽車總線系統(tǒng)中的一種，但卻是單位節(jié)點(diǎn)成本最低的。從近年的技術(shù)變革，以及市場滲透情況來看，LIN 行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展可與電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 相媲美。LIN 和 EPS 都是面向低成本市場領(lǐng)域，通過大批量而不是價格來實(shí)現(xiàn)銷售目標(biāo)，與ABS系統(tǒng)或安全氣囊截然相反。因此，從全球的角度看，LIN的主要潛力在于汽車制造商的大批量平臺。LIN的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，包括了從空調(diào)聯(lián)網(wǎng)或車門控制模塊 (目前首先或主要采用LIN連接)；乘客區(qū)車燈控制和開關(guān)模塊 (目前大多采用電纜連接)；直到翼板控制 (如排氣再循環(huán)(EGR))，電熱塞預(yù)熱裝置，以及各種泵 (如油泵、燃料泵或水泵) 等。而愛特梅爾的 LIN 器件更有優(yōu)勢，還可用于動力傳動系統(tǒng)，這是因?yàn)樗捎玫腟OI 工藝技術(shù)可使IC 承受高達(dá)200°C 的工作溫度，也就是說，完全可應(yīng)付引擎?zhèn)}高達(dá) 150°C 的溫度范圍。
總線聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)
開發(fā)高成本效益的、穩(wěn)健的總線系統(tǒng)是贏得市場成功的先決條件，對于 LIN 總路線系統(tǒng)亦如此。未來幾年市場預(yù)測表明LIN將有快速增長。
就穩(wěn)健性而言，愛特梅爾公司的 LIN 產(chǎn)品是市場中的先驅(qū)者。其所有第二代 LIN 產(chǎn)品系列都達(dá)能承受高達(dá) 8 kV 的 ESD 電壓，且具有出色的抗電磁干擾能力，同時已得到全球所有汽車制造商的認(rèn)可。之所以具有這些優(yōu)勢，一方面是因?yàn)椴捎昧苏w優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)(即 LIN IP)；另一方面則因?yàn)椴捎昧?BCD-on-SOI 技術(shù) (即 SMART-I.S. ? )。因?yàn)檫@種技術(shù)的活動性結(jié)構(gòu)下有介質(zhì)隔離 (氧化層)，故它具有極好的高溫穩(wěn)定性，并能很好地防止閉鎖和可控硅行為。
光學(xué)總線系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在EMC方面具有極大的優(yōu)勢，而且應(yīng)用更為廣泛；但事實(shí)上，目前的情況并非如此，原因在于光波導(dǎo)在插接頭處容易中斷。這在采用所謂分段接插線束的汽車制造中尤其突出，因而汽車制造商主要采用電路數(shù)據(jù)傳輸方式。但僅通過網(wǎng)絡(luò)連接并不能達(dá)到要求，甚至在汽車中采用專用高速網(wǎng)絡(luò)也是行不通的。更何況，撇開客戶無法接受的價格不談，高速網(wǎng)絡(luò)會導(dǎo)致汽車中數(shù)據(jù)泛濫，降低抗電磁干擾輻射能力，同時產(chǎn)生的輻射也很高。
智能LIN節(jié)點(diǎn)
更重要的是讓LIN節(jié)點(diǎn)具有足夠的智能，這樣汽車中各單元就可根據(jù)需要關(guān)閉，從而降低功耗。這種智能解決方案可以使用分立模塊架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但僅用分立模塊不能降低成本和減小尺寸。要降低成本和減小尺寸只能借助于支持所有功能 (如收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器、監(jiān)視器等) 的高集成度系統(tǒng)級IC。此外，也可將單板機(jī) (SBC) 和微控制器封裝在一起，進(jìn)一步減小模塊尺寸，以及裝配和運(yùn)行過程中的錯誤率。8位微控制器尤其適合這種集成，考慮到目前AVR? 微控制器的功耗，設(shè)計(jì)人員可用AVR 微控制器替代16位架構(gòu)，將整個系統(tǒng)容納到一個5mm x 7 mm或 7 mm x 7 mm 的SiP IC封裝中。
高集成度器件顯著節(jié)省油耗
通過高集成度引入智能化的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) (slave ctuator)，其好處是顯而易見的。根據(jù)對汽車油耗的研究顯示，每增加100W的電氣負(fù)載，便會使百公里油耗增加0.1升，而這相當(dāng)于每百公里多排放25克CO2 。從已規(guī)劃的排放限制來看，這是個不小的數(shù)值。我們還可以從更實(shí)際的角度做出評價，按照歐洲已規(guī)劃的汽車稅改革法 (新法令將對新增車輛，以及車輛本身的油耗征稅)，對于一輛每年行駛15000公里的車輛，每排放1克CO2的稅金估計(jì)達(dá)到170歐元左右；換句話說，百公里油耗每增加 0.1升，每年稅金就將增加425歐元。此外，對車重也可作同樣的計(jì)算，可按車重每減少50公斤，百公里油耗減少0.1升來計(jì)算。
專為汽車配備成本優(yōu)化的LIN總線和高集成度的系統(tǒng)級封裝IC，就可讓汽車中所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅在需要時才工作，從而大幅提高燃油的使用效率。在不工作模式下，電流消耗可降低至僅數(shù)微安培。
高集成度的實(shí)現(xiàn)方案 ---- 多芯片模塊 (MCM)
如何實(shí)現(xiàn)微控制器、監(jiān)視器、電壓調(diào)節(jié)器和收發(fā)器的高度集成呢？總的來說，有兩種方法。一是在單一芯片上實(shí)現(xiàn)集成，即單芯片集成；二是將兩塊裸片組合成一個所謂的多芯片模塊 (MCM) 中。乍一看，單芯片集成似乎更好，可實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸。
但事實(shí)并非如此，假設(shè)你打算將采用高壓 BCDMOS 技術(shù)來把微控制器、LIN 收發(fā)器和電壓調(diào)節(jié)器集成在一塊芯片上，除了技術(shù)劣勢外，由于芯片表面積顯著增大而導(dǎo)致的成本上升，還抵銷了單芯片集成的好處。
而且，這種單芯片解決方案還存在問題，因?yàn)槠囍圃焐虒υ趷毫迎h(huán)境下行車時數(shù)據(jù)傳輸所需的ESD保護(hù)能力及抗干擾能力的要求越來越嚴(yán)格，而這種解決方案是無法滿足的。
DPI測試
如上所述，汽車制造商要求器件符合目前的LIN標(biāo)準(zhǔn)，并成功地通過系統(tǒng)及組件級的專門EMC測試，作為一個附加措施。在這方面，基于氧化物隔離的技術(shù)明顯優(yōu)于體效應(yīng)技術(shù)。直接功率注入測試 (Direct Power Injection, DPI) 通過在 LIN 引腳上的直接耦合，測量 RF輻射能量，結(jié)果清楚顯示，由于采用了 SOI 技術(shù)，因而不存在寄生晶體管被激活的可控硅行為。相比使用傳統(tǒng)技術(shù)的收發(fā)器，愛特梅爾采用 SOI 技術(shù)的LIN收發(fā)器在34 dBm的測試極限下未出現(xiàn)任何故障。
低電流微控制器??
對于微控制器內(nèi)核，要求則截然不同，電流消耗要盡可能低，即應(yīng)當(dāng)采用盡可能小的結(jié)構(gòu)和盡可能低的電平。此外，必須支持各種不同容量的存儲器技術(shù) (如EEPORM、閃存或SRAM) 和各種外設(shè) (如定時器、USART、ADC等)。如果需要根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行電流消耗優(yōu)化，智能節(jié)電模式和執(zhí)行時間短則是基本的要求。
除了這些要求外，諸如芯片上調(diào)試，或硬件級集成的 LIN UART 之類的功能也是 LIN節(jié)點(diǎn)開發(fā)不可分割的部分。尤其是硬件實(shí)現(xiàn)的 LIN 協(xié)議，不僅可將簡化的開發(fā)工藝用于模塊，而且還能顯著降低成本，因?yàn)?IC 制造商已經(jīng)完成了協(xié)議認(rèn)證，而且所需的存儲器和系統(tǒng)資源也更少。
QFN封裝
要取得最佳的成本優(yōu)化效果，應(yīng)當(dāng)采用最適合相應(yīng)要求的技術(shù)。請記住，就SiP技術(shù)而言，在系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片的高壓要求和微控制器的超低功耗/高速性能要求之間可以畫出一條清楚的界線。為了進(jìn)一步優(yōu)化，必須采用QFN封裝。一方面，這種封裝可為容納兩塊裸片提供盡可能大的表面；另一方面，QRN封裝所占的線路板面積最小。例如32管腳QFN封裝的占位空間小于SO8封裝，因而使到可用芯片空間增加一倍。除了占位空間小，QFN封裝還有一個決定性優(yōu)勢，即熱阻低，Rthjc<10 k/W，相應(yīng)地散熱也就良好。此外，其安裝兩塊芯片的銅條也在背面起到大面積散熱體的作用，如將該銅條焊接在相應(yīng)的電路板上，熱阻便可下降到35 k/W以下。
單一IC中實(shí)現(xiàn)完整的LIN節(jié)點(diǎn)
愛特梅爾最新的第二代系統(tǒng)級封裝 (SiP) 器件 (ATA6612 和ATA6613) 不僅具有8位AVR微控制器 (ATmega88 或ATmega168)，而且還包含一個LIN SBC，提供了整個系統(tǒng)所需的功能如LIN收發(fā)器、5V電壓調(diào)節(jié)器和監(jiān)視器。
采用這種 SiP 組件，只需一塊芯片構(gòu)就可構(gòu)建一個完整的LIN節(jié)點(diǎn) ，而且占用最小的空間。SiP IC具有與單一器件相同的抗ESD/EMC能力和散熱能力。
原油價格上升及全球氣候的明顯變化增強(qiáng)了消費(fèi)者對生態(tài)環(huán)境的意識 (ecological awareness)。但即便如此，汽車工業(yè)仍然在不斷發(fā)展。那么，是否真的有所謂的綠色汽車呢？這當(dāng)然是沒有的，或者說，目前還沒有。不過，情況也不至于這樣差，例如現(xiàn)有引擎的功率比20年前增大了許多倍，但油耗卻減少了差不多三分之一。
降低油耗的因素 ?
汽車的重量和其電子系統(tǒng)是降低油耗、進(jìn)而減少二氧化碳 (CO2) 排放的主要因素。30多年前，幾乎沒聽說過諸如電動助力轉(zhuǎn)向，主動和被動安全或空調(diào)之類的系統(tǒng)，而如今這些功能甚至在各種基本汽車型款上都成了不可缺少的組成部分。正是這類 (以及許多其它的) 功能構(gòu)成了汽車額外重量的主要部分。在非電子部分，汽車業(yè)已經(jīng)發(fā)揮盡降低油耗的潛力。首先，車漆用量比過去減少了好幾倍，然后車體鋼板厚度也減到最小，并且有些部分使用輕得多的材料 (如塑料、鋁材，甚至碳纖化合物) 來替代。在可能的情況下，甚至玻璃也被輕得多的聚碳酸酯材料代替。
LIN總線的作用
因此，要進(jìn)一步降低油耗只能借助于智能電子技術(shù)。在這個領(lǐng)域中，汽車總線系統(tǒng)扮演著一個重要的角色，它們不僅能減少連接線路本身 (因而減輕車重)，而且還能使LIN節(jié)點(diǎn)更加智能化，讓各節(jié)點(diǎn)在無需工作時關(guān)斷。
LIN網(wǎng)絡(luò)只是眾多汽車總線系統(tǒng)中的一種，但卻是單位節(jié)點(diǎn)成本最低的。從近年的技術(shù)變革，以及市場滲透情況來看，LIN 行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展可與電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 相媲美。LIN 和 EPS 都是面向低成本市場領(lǐng)域，通過大批量而不是價格來實(shí)現(xiàn)銷售目標(biāo)，與ABS系統(tǒng)或安全氣囊截然相反。因此，從全球的角度看，LIN的主要潛力在于汽車制造商的大批量平臺。LIN的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，包括了從空調(diào)聯(lián)網(wǎng)或車門控制模塊 (目前首先或主要采用LIN連接)；乘客區(qū)車燈控制和開關(guān)模塊 (目前大多采用電纜連接)；直到翼板控制 (如排氣再循環(huán)(EGR))，電熱塞預(yù)熱裝置，以及各種泵 (如油泵、燃料泵或水泵) 等。而愛特梅爾的 LIN 器件更有優(yōu)勢，還可用于動力傳動系統(tǒng)，這是因?yàn)樗捎玫腟OI 工藝技術(shù)可使IC 承受高達(dá)200°C 的工作溫度，也就是說，完全可應(yīng)付引擎?zhèn)}高達(dá) 150°C 的溫度范圍。
總線聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)
開發(fā)高成本效益的、穩(wěn)健的總線系統(tǒng)是贏得市場成功的先決條件，對于 LIN 總路線系統(tǒng)亦如此。未來幾年市場預(yù)測表明LIN將有快速增長。
就穩(wěn)健性而言，愛特梅爾公司的 LIN 產(chǎn)品是市場中的先驅(qū)者。其所有第二代 LIN 產(chǎn)品系列都達(dá)能承受高達(dá) 8 kV 的 ESD 電壓，且具有出色的抗電磁干擾能力，同時已得到全球所有汽車制造商的認(rèn)可。之所以具有這些優(yōu)勢，一方面是因?yàn)椴捎昧苏w優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)(即 LIN IP)；另一方面則因?yàn)椴捎昧?BCD-on-SOI 技術(shù) (即 SMART-I.S. ? )。因?yàn)檫@種技術(shù)的活動性結(jié)構(gòu)下有介質(zhì)隔離 (氧化層)，故它具有極好的高溫穩(wěn)定性，并能很好地防止閉鎖和可控硅行為。
光學(xué)總線系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在EMC方面具有極大的優(yōu)勢，而且應(yīng)用更為廣泛；但事實(shí)上，目前的情況并非如此，原因在于光波導(dǎo)在插接頭處容易中斷。這在采用所謂分段接插線束的汽車制造中尤其突出，因而汽車制造商主要采用電路數(shù)據(jù)傳輸方式。但僅通過網(wǎng)絡(luò)連接并不能達(dá)到要求，甚至在汽車中采用專用高速網(wǎng)絡(luò)也是行不通的。更何況，撇開客戶無法接受的價格不談，高速網(wǎng)絡(luò)會導(dǎo)致汽車中數(shù)據(jù)泛濫，降低抗電磁干擾輻射能力，同時產(chǎn)生的輻射也很高。
智能LIN節(jié)點(diǎn)
更重要的是讓LIN節(jié)點(diǎn)具有足夠的智能，這樣汽車中各單元就可根據(jù)需要關(guān)閉，從而降低功耗。這種智能解決方案可以使用分立模塊架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但僅用分立模塊不能降低成本和減小尺寸。要降低成本和減小尺寸只能借助于支持所有功能 (如收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器、監(jiān)視器等) 的高集成度系統(tǒng)級IC。此外，也可將單板機(jī) (SBC) 和微控制器封裝在一起，進(jìn)一步減小模塊尺寸，以及裝配和運(yùn)行過程中的錯誤率。8位微控制器尤其適合這種集成，考慮到目前AVR? 微控制器的功耗，設(shè)計(jì)人員可用AVR 微控制器替代16位架構(gòu)，將整個系統(tǒng)容納到一個5mm x 7 mm或 7 mm x 7 mm 的SiP IC封裝中。
高集成度器件顯著節(jié)省油耗
通過高集成度引入智能化的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu) (slave ctuator)，其好處是顯而易見的。根據(jù)對汽車油耗的研究顯示，每增加100W的電氣負(fù)載，便會使百公里油耗增加0.1升，而這相當(dāng)于每百公里多排放25克CO2 。從已規(guī)劃的排放限制來看，這是個不小的數(shù)值。我們還可以從更實(shí)際的角度做出評價，按照歐洲已規(guī)劃的汽車稅改革法 (新法令將對新增車輛，以及車輛本身的油耗征稅)，對于一輛每年行駛15000公里的車輛，每排放1克CO2的稅金估計(jì)達(dá)到170歐元左右；換句話說，百公里油耗每增加 0.1升，每年稅金就將增加425歐元。此外，對車重也可作同樣的計(jì)算，可按車重每減少50公斤，百公里油耗減少0.1升來計(jì)算。
專為汽車配備成本優(yōu)化的LIN總線和高集成度的系統(tǒng)級封裝IC，就可讓汽車中所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅在需要時才工作，從而大幅提高燃油的使用效率。在不工作模式下，電流消耗可降低至僅數(shù)微安培。
高集成度的實(shí)現(xiàn)方案 ---- 多芯片模塊 (MCM)
如何實(shí)現(xiàn)微控制器、監(jiān)視器、電壓調(diào)節(jié)器和收發(fā)器的高度集成呢？總的來說，有兩種方法。一是在單一芯片上實(shí)現(xiàn)集成，即單芯片集成；二是將兩塊裸片組合成一個所謂的多芯片模塊 (MCM) 中。乍一看，單芯片集成似乎更好，可實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸。
但事實(shí)并非如此，假設(shè)你打算將采用高壓 BCDMOS 技術(shù)來把微控制器、LIN 收發(fā)器和電壓調(diào)節(jié)器集成在一塊芯片上，除了技術(shù)劣勢外，由于芯片表面積顯著增大而導(dǎo)致的成本上升，還抵銷了單芯片集成的好處。
而且，這種單芯片解決方案還存在問題，因?yàn)槠囍圃焐虒υ趷毫迎h(huán)境下行車時數(shù)據(jù)傳輸所需的ESD保護(hù)能力及抗干擾能力的要求越來越嚴(yán)格，而這種解決方案是無法滿足的。
DPI測試
如上所述，汽車制造商要求器件符合目前的LIN標(biāo)準(zhǔn)，并成功地通過系統(tǒng)及組件級的專門EMC測試，作為一個附加措施。在這方面，基于氧化物隔離的技術(shù)明顯優(yōu)于體效應(yīng)技術(shù)。直接功率注入測試 (Direct Power Injection, DPI) 通過在 LIN 引腳上的直接耦合，測量 RF輻射能量，結(jié)果清楚顯示，由于采用了 SOI 技術(shù)，因而不存在寄生晶體管被激活的可控硅行為。相比使用傳統(tǒng)技術(shù)的收發(fā)器，愛特梅爾采用 SOI 技術(shù)的LIN收發(fā)器在34 dBm的測試極限下未出現(xiàn)任何故障。
低電流微控制器??
對于微控制器內(nèi)核，要求則截然不同，電流消耗要盡可能低，即應(yīng)當(dāng)采用盡可能小的結(jié)構(gòu)和盡可能低的電平。此外，必須支持各種不同容量的存儲器技術(shù) (如EEPORM、閃存或SRAM) 和各種外設(shè) (如定時器、USART、ADC等)。如果需要根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行電流消耗優(yōu)化，智能節(jié)電模式和執(zhí)行時間短則是基本的要求。
除了這些要求外，諸如芯片上調(diào)試，或硬件級集成的 LIN UART 之類的功能也是 LIN節(jié)點(diǎn)開發(fā)不可分割的部分。尤其是硬件實(shí)現(xiàn)的 LIN 協(xié)議，不僅可將簡化的開發(fā)工藝用于模塊，而且還能顯著降低成本，因?yàn)?IC 制造商已經(jīng)完成了協(xié)議認(rèn)證，而且所需的存儲器和系統(tǒng)資源也更少。
QFN封裝
要取得最佳的成本優(yōu)化效果，應(yīng)當(dāng)采用最適合相應(yīng)要求的技術(shù)。請記住，就SiP技術(shù)而言，在系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片的高壓要求和微控制器的超低功耗/高速性能要求之間可以畫出一條清楚的界線。為了進(jìn)一步優(yōu)化，必須采用QFN封裝。一方面，這種封裝可為容納兩塊裸片提供盡可能大的表面；另一方面，QRN封裝所占的線路板面積最小。例如32管腳QFN封裝的占位空間小于SO8封裝，因而使到可用芯片空間增加一倍。除了占位空間小，QFN封裝還有一個決定性優(yōu)勢，即熱阻低，Rthjc<10 k/W，相應(yīng)地散熱也就良好。此外，其安裝兩塊芯片的銅條也在背面起到大面積散熱體的作用，如將該銅條焊接在相應(yīng)的電路板上，熱阻便可下降到35 k/W以下。
單一IC中實(shí)現(xiàn)完整的LIN節(jié)點(diǎn)
愛特梅爾最新的第二代系統(tǒng)級封裝 (SiP) 器件 (ATA6612 和ATA6613) 不僅具有8位AVR微控制器 (ATmega88 或ATmega168)，而且還包含一個LIN SBC，提供了整個系統(tǒng)所需的功能如LIN收發(fā)器、5V電壓調(diào)節(jié)器和監(jiān)視器。
采用這種 SiP 組件，只需一塊芯片構(gòu)就可構(gòu)建一個完整的LIN節(jié)點(diǎn) ，而且占用最小的空間。SiP IC具有與單一器件相同的抗ESD/EMC能力和散熱能力。
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