推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)傳感器熱潮的三大趨勢(shì)

我們正處于汽車(chē)行業(yè)歷史性的、明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。汽車(chē)制造商在創(chuàng)新和重新定義汽車(chē)使用方面面臨著巨大的壓力。他們不僅需要滿足消費(fèi)者的需求，還必須跟上不斷變化的安全和環(huán)境法規(guī)。因此，汽車(chē)制造商正在增加在車(chē)輛內(nèi)部和周?chē)褂玫?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器數(shù)量，以為客戶提供更高的安全性和功能性，這需要傳感器制造商對(duì)先前的技術(shù)進(jìn)行小型化和改進(jìn)。

在本文中，我將重點(diǎn)介紹未來(lái) 10 年將顯著增加車(chē)輛中使用的傳感器數(shù)量的三個(gè)主要趨勢(shì)：信息娛樂(lè)系統(tǒng)的進(jìn)步、額外的安全和自動(dòng)駕駛功能以及電氣化的興起。

趨勢(shì)一：信息娛樂(lè)系統(tǒng)變得更加先進(jìn)

包含最新信息娛樂(lè)功能和趨勢(shì)的汽車(chē)技術(shù)采用率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。用戶體驗(yàn)不僅僅是一種驅(qū)動(dòng)器。

如圖 1所示，典型車(chē)輛中使用的顯示器數(shù)量正在增加——從可重新配置的儀表組到中控臺(tái)再到乘客娛樂(lè)。同時(shí)，由于更大的屏幕、更精細(xì)的分辨率和更高的亮度水平，顯示質(zhì)量也在提高。用于后視和側(cè)視的電子鏡也變得越來(lái)越普遍，無(wú)線充電模塊和附加媒體集線器也是如此。汽車(chē)開(kāi)始感覺(jué)像是智能手機(jī)的無(wú)縫延伸，消費(fèi)者期待美觀干凈的觸摸表面設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致額外的集成電路 (IC)，如電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (LDC) 傳感器，可在表面上實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)制觸摸”功能不是屏幕，能夠檢測(cè)施加的力量。

德州儀器 (TI) 的LDC3114-Q1等 LDC 傳感器可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫用戶界面 (UI) 體驗(yàn)，其中中控臺(tái)周?chē)?UI 采用金屬、塑料或玻璃表面觸控。

此外，TI 的TMAG5170-Q1等 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可實(shí)現(xiàn)電子換檔器（換檔器）中的位置檢測(cè)以及操縱桿和旋鈕的信息娛樂(lè)控制，這些功能通常與中控臺(tái)周?chē)挠|摸和 UI 功能相結(jié)合。

支持所有這些新功能和顯示需要額外的更小尺寸的 IC，這導(dǎo)致 IC 和印刷電路板 (PCB) 的小型化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)大的功能。挑戰(zhàn)在于，當(dāng)您減小容納 PCB 的模塊尺寸同時(shí)增加處理要求時(shí)，您就有了更高工作溫度的完美配方。這主要是由于更多的處理和更小的外形尺寸導(dǎo)致的氣流減少導(dǎo)致的更高的功耗 - 這兩者都與環(huán)境有關(guān)，因?yàn)樾畔蕵?lè)系統(tǒng)在其生命周期的大部分時(shí)間里經(jīng)常暴露在陽(yáng)光下。

由于溫度傳感器在幫助避免因過(guò)熱而損壞電路方面發(fā)揮著如此重要的作用，因此汽車(chē)制造商正在增加在典型 PCB 上使用的溫度傳感器數(shù)量，并在產(chǎn)品選擇過(guò)程中優(yōu)先考慮可靠性和準(zhǔn)確性。在微控制器、電源或背光 LED 顯示屏等系統(tǒng)熱點(diǎn)中放置溫度傳感器有助于將這些組件保持在推薦的工作條件內(nèi)，從而使信息娛樂(lè)系統(tǒng)能夠提供消費(fèi)者期望的性能和可靠性。

鑒于可用的數(shù)千種選項(xiàng)，找到合適類(lèi)型的溫度傳感器可能很困難。TI 的TMP61-Q1線性熱敏電阻不會(huì)破壞銀行，并且比傳統(tǒng)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻更可靠。TMP61-Q1提高的精度有助于最大限度地減少溫度誤差安全裕度，以防止誤觸發(fā)。這使控制系統(tǒng)能夠在更接近熱限制的情況下運(yùn)行，并且僅在需要時(shí)節(jié)流或關(guān)閉。

在接下來(lái)的幾年里，您不僅可以看到傳感產(chǎn)品的數(shù)量增加，而且信息娛樂(lè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和集成度也會(huì)提高，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更多的用戶體驗(yàn)功能和更有趣的駕駛體驗(yàn)。

趨勢(shì)二：額外的安全和自動(dòng)駕駛功能

并非所有汽車(chē)都是平等的，尤其是在為某些市場(chǎng)量身定制時(shí)。但政府法規(guī)正在縮小標(biāo)準(zhǔn)安全功能差距，以確保消費(fèi)者安全。例如，2019 年，印度政府要求在其國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售的所有車(chē)型中安裝主動(dòng)和被動(dòng)安全功能。為了將這些安全功能添加到中低端車(chē)型，汽車(chē)制造商需要添加更多傳感器來(lái)感知車(chē)輛內(nèi)部和周?chē)沫h(huán)境。

您會(huì)在后視攝像頭中找到這種趨勢(shì)的一個(gè)很好的例子。它們?cè)?10 年前僅在豪華車(chē)型上提供，但現(xiàn)在已成為大多數(shù)新車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)安全功能；沒(méi)有它很難找到一輛新車(chē)。另一個(gè)例子是駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，它也越來(lái)越受歡迎。因此，如果歷史重演，我不會(huì)對(duì)廣泛采用更先進(jìn)的安全功能感到驚訝。

高級(jí)安全功能是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的一部分。最初以巡航控制而聞名，ADAS 已經(jīng)演變成更多，將車(chē)輛上的傳感器提升到一個(gè)全新的水平，以支持諸如車(chē)內(nèi)監(jiān)控、盲點(diǎn)檢測(cè)、車(chē)道偏離警告、停車(chē)輔助等功能——甚至是最新的自動(dòng)駕駛驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

圖 2顯示了不同級(jí)別的自動(dòng)駕駛及其相應(yīng)的特征。盡管實(shí)現(xiàn) 5 級(jí)自動(dòng)駕駛存在許多障礙，但汽車(chē)制造商正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖 2 自動(dòng)駕駛的等級(jí)（來(lái)源 Texas Instruments）

如果沒(méi)有攝像頭和邊緣的超聲波、雷達(dá)或激光雷達(dá)傳感器來(lái)感知車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境，自動(dòng)駕駛功能就不可能存在。隨著越來(lái)越多的汽車(chē)制造商競(jìng)相實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)駕駛，傳感器數(shù)量的增加是不可避免的。但是你要把它們放在哪里？

這就是小型化發(fā)揮作用的地方——封裝尺寸和集成度大放異彩。例如，當(dāng)今的高端車(chē)輛采用多芯片單雷達(dá)系統(tǒng)。由于使用了多個(gè)分立元件，當(dāng)這些雷達(dá)系統(tǒng)需要更小、更低功耗和成本效益時(shí)，它們又大又笨重。TI 提供汽車(chē)毫米波 (mmWave) 雷達(dá)傳感器解決方案，例如 TI 的AWR1843，其處理與前端位于同一位置，可將雷達(dá)系統(tǒng)的尺寸和外形尺寸減小 50%。TI 還提供與封裝天線毫米波雷達(dá)設(shè)備（例如 TI 的AWR1843AOP ）的更高集成度，從而能夠在車(chē)輛周?chē)咝О惭b多個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)。

需要的不僅僅是高數(shù)據(jù)密集型傳感器；更小的構(gòu)建塊傳感器將確保用于傳感器融合和人工智能的計(jì)算密集型處理器的安全性和長(zhǎng)期性能。如果處理器過(guò)熱、電流消耗過(guò)多或暴露在高濕度環(huán)境中，其性能可能會(huì)下降或完全損壞，從而影響 ADAS 功能。溫度、電流甚至濕度傳感器（如HDC3020-Q1）將這些處理器和其他 ADAS 組件（如 LiDAR 傳感器）保持在其指定的工作條件下，以防止損壞。

ADAS 具有比其他汽車(chē)系統(tǒng)更嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)安全要求，因?yàn)殡S著車(chē)輛變得更加智能，它們也變得更加復(fù)雜。更高的復(fù)雜性引發(fā)了安全問(wèn)題，尤其是隨著自動(dòng)駕駛成為主流。汽車(chē)安全完整性等級(jí) (ASIL) 評(píng)級(jí)確立了在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)和確保標(biāo)準(zhǔn)安全程序的要求。因此，整個(gè)車(chē)輛的許多子系統(tǒng)都必須具有系統(tǒng)級(jí)功能安全性。

功能安全中的一項(xiàng)常見(jiàn)要求是冗余。為了滿足冗余要求，汽車(chē)制造商正在迅速將傳感器用于安全關(guān)鍵控制系統(tǒng)，進(jìn)一步增加傳感器的數(shù)量。像 TI 這樣的傳感器制造商已經(jīng)注意到這一趨勢(shì)，并專(zhuān)注于讓工程師更容易找到和使用傳感器，無(wú)論是在旨在滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)中，還是在具有競(jìng)爭(zhēng)力的差異化更安全系統(tǒng)中。

趨勢(shì) 3：電氣化的興起

汽車(chē)制造商正在全力開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē) (EV)。為什么是電動(dòng)汽車(chē)？好吧，安靜的行駛和即時(shí)扭矩并不是它們獲得牽引力的唯一原因。與政府減少二氧化碳排放的目標(biāo)有關(guān)，還有更大的力量在發(fā)揮作用。

許多國(guó)家已經(jīng)宣布了電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售的目標(biāo)日期和承諾。例如，韓國(guó)宣布了 2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)日期，并相應(yīng)計(jì)劃通過(guò)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)稅收優(yōu)惠和特定的電動(dòng)汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)目標(biāo)，到 2025 年將上路的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量增加到近 300 萬(wàn)輛。 . 每個(gè)國(guó)家的目標(biāo)細(xì)節(jié)可能有所不同，但共同的目標(biāo)是隨著稅收減免或補(bǔ)貼等法規(guī)和激勵(lì)措施逐步淘汰內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車(chē)輛。

電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量的增加如何影響對(duì)傳感器的需求？與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電壓、電流、溫度和濕度傳感的要求更高，因?yàn)檐?chē)載充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、逆變器和電池管理系統(tǒng) (BMS) 等大型子系統(tǒng)都處理高壓或電流。這些系統(tǒng)中的每一個(gè)都需要密切監(jiān)控，以最大限度地減少電流浪涌、熱失控、甚至腐蝕或水分泄漏造成的短路的威脅。

這些系統(tǒng)中的高傳感器精度可以轉(zhuǎn)化為更短的電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間，甚至更長(zhǎng)的電池壽命。例如，更準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)可以減少誤差范圍，從而防止錯(cuò)誤觸發(fā)控制系統(tǒng)并使操作更接近熱限制，僅在必要時(shí)節(jié)流或關(guān)閉。使用溫度傳感器時(shí)的總精度與傳感器和周?chē)M件、使用的布局技術(shù)和熱傳導(dǎo)路徑有關(guān)，因此在使用表面貼裝溫度傳感器時(shí)必須牢記最佳實(shí)踐。

TI 的TMP126-Q1溫度傳感器可幫助系統(tǒng)采取先發(fā)制人的措施來(lái)降低熱損壞風(fēng)險(xiǎn)，其溫度轉(zhuǎn)換率警報(bào)可在溫度快速變化達(dá)到危險(xiǎn)水平之前檢測(cè)到溫度變化，從而降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。像 TMP126-Q1 這樣的傳感器不僅準(zhǔn)確，而且由于其硅材料的低傳感器漂移，它們也很可靠。在具有高充電電流的 BMS 中，保持電流感應(yīng)精度以正確了解電池的充電狀態(tài)非常重要。使用精確的低漂移電流傳感器（例如 TI 的INA229-Q1 ）有助于保持 EV 電池隨時(shí)間、溫度和濕度水平的效率。

結(jié)論

隨著信息娛樂(lè)系統(tǒng)變得更加先進(jìn)、安全和自動(dòng)駕駛功能的普及以及電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額增加，傳感器只會(huì)隨著時(shí)間的推移而繼續(xù)增加。為了幫助汽車(chē)工程師優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體制造商正在提供更小、更準(zhǔn)確、更節(jié)能的傳感器。有這么多可用的傳感器，產(chǎn)品選擇可能是壓倒性的。確定最重要的標(biāo)準(zhǔn)很重要——關(guān)注精度、漂移和尺寸等參數(shù)是縮小選擇范圍的好方法。

關(guān)于作者

Bryan Padilla 是德州儀器 (TI) 的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)有著畢生的興趣，并專(zhuān)注于傳感技術(shù)。

審核編輯 黃昊宇