硅技术引领汽车设计时代
意法半导体亚太区汽车电子部市场应用工程师 Simon Arthur
摘 要：随着科技的不断向前发展，汽车电子化程度也越来越高，半导体技术也随之崛起。本文详尽的描述了硅技术的进步，微控制器在汽车应用上的发展以及硅产品在汽车网络所发挥的巨大潜力。最后作者希望汽车制造商和半导体生产商能够密切合作为汽车工业做出更大的贡献。
关键词：半导体技术，电子系统，汽车网络，汽车工业
1.引言
现代汽车中的半导体技术和产品正在迅猛增加，消费者对附加功能的需求正将汽车从一个以电气系统为辅的机械系统，变成一个没有电子系统就无法正常运行的机电系统。这一发展趋势刺激了市场对优质、强大并具有成本效益的硅解决方案的需求。
过去，汽车工业更重视电气系统，而不重视电子系统。例如，照明系统过去经常使用继电器、熔断器和电源开关作为主模块设计。今天，ST的“智能”硅解决方案正将汽车工业引入一个崭新的激动人心的汽车设计时代。这场革新不仅发生在传统的电气系统，而且还涉及到机械系统。现在几乎没有汽车制造商还在使用纯粹的机械/电气发动机控制系统，几乎所有的现代设计都是利用微处理器的强大功能使发动机运行得既高效又安静，而且，还可以按照司机的要求输出动力。
随着汽车工业对半导体依赖程度的提高，半导体供应商不断开发出新的技术和工艺，以满足汽车工业对半导体产品的需求。这些进步正将汽车引向一个成本和集成度都优于今天的解决方案的汽车系统的理想目标。不过，只能通过半导体供应商与汽车工业相关的行业的密切合作才能取得这些进步，像意法半导体（ST）这样的宽线产品的半导体供应商已经认识到了这种关系。本文探讨了一些专门为汽车工业开发的半导体技术，以及半导体供应商与汽车制造商及其一级零部件供应商的合作关系在这一成功中所发挥的关键作用。
2.合作模式
随着汽车控制系统的复杂性曰益提高，以及对乘座舒适性需求的提高，汽车制造商及半导体供应商增加的投资超出了汽车市场的增长速度。快速的投资增长和对半导体的重视，急需半导体供应商提高产品功能，同时降低成本。
为了实现这些目的，汽车制造商及其一级零部件供应商需要依赖像意法半导体一样的半导体供应商的专门技术和工艺，半导体供应商为半导体器件输入了专门的技术，同时，汽车制造商及其一级零部件供应商也为系统提供了专门的技术。因此，一个优良的交流模式对于汽车半导体产品开发是非常重要的。
传统上，汽车工业的半导体产品开发是基于一个分层的交流模式，在这种模式下，半导体供应商直接与一级零部件供应商交流，而一级供应商要分别与半导体供应商和汽车制造商交流。因为一级零部件供应商在整车的某些特殊的系统开发上拥有专门的技术，所以，这种交流模式对于闭路系统十分有效。不过，对于依靠汽车的其他系统帮助来执行目标功能的系统（开路系统），汽车制造商的加入是十分重要的。这种方法是针对汽车工业标准系统而产生的。由汽车制造商、一级零部件供应商和半导体供应商组成的集团叫做财团。财团采用圆桌会议的方法在成员之间建立交流渠道，汽车工业正在享受这一结果带来的好处。
3.硅技术进步
纵向智能功率技术（VIPower）--用智能硅器件取代继电器
自晶体管问世以来，硅开关技术经历了全面的发展，不过，硅技术局限性意味着在高可靠和恶劣环境中（如汽车），晶体管的应用将会受到限制。在硅技术无法应用的领域，机电继电器则是一个成本低廉的开关解决方案。
现在，新的硅技术正在改变传统的观念。先进的硅技术，如意法半导体开发的VIPower（纵向智能功率MOS技术），不仅缩小了芯片封装的尺寸，而且还提高了器件内部的智能技术含量。这种技术允许开发智能程度更高的用户友好的应用，例如，无需熔断器的智能前大灯控制器，以及智能车窗升降应用，这种升降机无需特殊传感器就能检测到夹在车窗的物体，如手或婴儿的头。
意法半导体开发出了很多在单一半导体器件内集成系统功能的硅技术，这种技术允许控制电路与场效应MOS驱动器安装在一起，在与VIPower器件配合使用时，可以形成一个系统解决方案。
VIPower 硅结构允许设计一个低Rdson（通态电阻）的开关器件，这样，使用少量的半导体器件，就可以驱动较大的负载，如直流电机、电磁阀和车灯。意法半导体正在设计将硅技术与工艺融为一体，包括采用VIPower技术的智能控制器单片。硅技术和工艺整合后为汽车工业创造的独特产品，会以更低的成本实现更高的功能和更佳的系统设计。
当设计驱动外部负载的汽车系统时，最重要的是了解使用硅器件的优点和局限性。在为系统确定正确的半导体分布的内部设计方面，意法半导体拥有专门的技术和丰富的经验。为融合一级零部件供应商的专门系统技术和汽车制造商开发的每一台汽车平台的专门技术，利用一个随时可用的强大框架，以确保汽车具有异的质量和可靠性。
4.微控制器——更强的处理能力，更小的功耗
汽车系统的理想的微控制器应具有强大的处理能力，同时电力功率消耗也应很低。这是因为两个原因：使用微控制器的系统还有更多的任务要做；越来越多的新系统被增加到汽车制造商的汽车平台上。
对于微控制器，性能提高意味着工作频率提高，这就产生了电磁传导系数（EMC）和电磁化系数（EMS）问题。为了满足汽车EMC和EMS严格的需求，半导体设计商在优化微控制器的电路和布局上花费了巨大的人力和物力，开发出了能够满足并超出汽车环境要求的微控制器产品。
4.1硬件平台
微控制器核心只是微控制器的一部分，微控制器的外设组合、封装尺寸和引脚也很重要。例如，控制车身电子系统的微控制器可能需要一对精确的模数转换器（ADC）、16位定时器、自动装载脉宽调制（PWM）输出、连接外围组件的串口（SPI）、K线和LIN等通信用串行通信接口（SCI），甚至还包括直接驱动步进电机的专用电机控制输出（常用于仪表线束）。
通过与一级零部件供应商和汽车制造商密切合作，意法半导体已经有能力运用独有的硅技术及工艺，开发高集成度的可以用于汽车平台多个系统的微控制器家族。
4.2软件平台
大多数汽车制造商是自己定义软件平台的需求，这种方法可实现汽车平台系统之间的兼容性，目标是让不同供应商开发的系统能够无缝运行和有效配合。为了有效地降低开发成本，同时提高汽车平台的灵活性和耐用性，很多汽车制造商都结盟定义工业标准软件平台。
硬件抽象层（HAL）是一个定义中的软件实现方式。HAL的理念是拥有一个无需修改任何硬件平台就可运行的应用软件层。意法半导体与汽车工业的合作伙伴密切合作，开发出可以在汽车平台上轻松集成微控制器的固件。
5汽车网络--智能汽车的分布式智能
汽车通信总线标准的进步是要求硅产品连接汽车系统智能功能的需求曰益增长的结果。例如，今天，一个汽车的安全系统将会检查车窗是否关闭，车灯是否关闭，汽车是否切断电源，并在人进入汽车前自动接通电源。有了汽车网络通信总线，这些智能操作才能成为可能。
今天，CAN2B标准已经成为汽车网络的通信总线采用的主要标准，CAN协议通常用于连接动力传动系统和车身电子系统。广播信息方法、碰撞检测及预防方法，以及对特殊需求如时间触发协议的适应性，说明CAN是一个强大的广泛认可的并得到全面支持的汽车通信标准。
对于汽车网络中的低速、低成本节点，局部互联网LIN正在快速成为新的标准，意法半导体的LINSCI微控制器外设通过给一个标准的串行通信接口（SCI）增加附加硬件可以提高功能。LINSCI使一个LIN节点可以节省微控制器资源，降低功耗。
在需要高带宽通信总线的应用中，如视频和音频多路复用，有几个标准还正处于开发中，其中包括MOST和Firewire。这些新标准正将汽车网络的物理层从传统的电力布线过渡到塑光纤技术（POF）。这种趋势为汽车网络带来了很多好处，如EMC和电磁化系数降低，而且还能够实现汽车系统之间的电隔离。
无线通信系统，如全球定位系统（GPS）、远程信息处理信息系统（Telematics）和蓝牙技术，给人与汽车的人机互动带来了巨大的进步。这些技术为汽车增加了移动办公的功能，使汽车能够实时连接支持蓝牙技术的设备，如电话、个人数字助理（PDA）和笔记本电脑。
6.机电系统--片上系统技术
机电系统主要用于分布式智能汽车网络结构，机电网络的每个节点都有一个电子控制器件和一个机械活动结构。典型的应用实例包括机电门锁、机电后视镜控制器和机电车窗升降机。
意法半导体在片上系统（SOC）技术付出了巨大的努力，为用户带来了低成本的机电解决方案，如微控制器、VIPower、网络组件、闪存和EEPROM存储器、电压调节器等。这些技术包括CMOS、BiCMOS、BCD、闪存、FPGA、DRAM和MEMS（微机电系统）。
因为SOC集成越来越多的功能，汽车系统的开发时间对半导体SOC的开发时间依赖性越来越大，同样，汽车系统的成本对SOC成本的依赖性也越来越大。因此，硅技术及工艺取得的巨大进步是SOC实现功能强而成本低廉的最重要因素。意法半导体新开发的90nm技术正在引导着SOC的发展潮流。采用90nm技术的CMOS090工艺采用内置模块化设计，可以快速开发性能优异而功耗低的SOC器件。
7.环境保护
在环境治理上取得进展引起公众广泛关注的行业并不多，但是，汽车行业就是其中的一个实例。我们注意到汽车行业引入了污染治理措施，如催化转换器、无铅汽油、发动机容积及性能限制。不过，无论现代汽车在环境义务上取得多大进展，汽车行业还需做出更大的进步。意法半导体的环境政策为开发这些工艺提供了保证，同时，还证明这些政策在经济学上也是合理的。这些工艺的直接结果是，其在深圳的镀锡工厂消耗的化工原料降低了13%，成本降低了42%。这是通过调整设备使用浓度更低的化工原料实现的。
意法半导体努力做到在产品中最低限度地使用危险物质，这种做法的直接结果我们开发出了一种叫做ECOPackage的无铅硅封装工艺。
8.为汽车工业带来的好处
半导体供应商拥有硅技术及工艺的专门技术，宽产品线的半导体供应商拥有多项不同的硅技术及工艺的专门技术，是制造智能化程度更高而成本更低廉的系统的关键因素。
当一个半导体企业集中力量于汽车工业时，这些好处会从汽车制造商通过一级零部件供应商最后转移到消费者。圆桌论坛集中了汽车制造商、一级零部件供应商和意法半导体的专门技术，能够产生最佳的可行的汽车网络及系统解决方案。
今天，汽车工业已经在收获通过艰辛的努力获得的回报，在路上行驶的汽车中，我们看到越来越多的车子装备了“智能”系统，而这些并非是高档豪华车，越来越多的经济型生活用车也在装配这些系统。新车的成本组成与半导体产品的成本的关系更加密切，硅技术的进步正在降低新车的成本。汽车的智能化程度越来越高，而成本则越来越低，我们无法想象未来的汽车是什么样，但是，我们所有的人都在期待能让未来的交通工具变得更舒适的技术进步。
