概述
電子零件對汽車工業的發展日趨重要，尤其在低成本且可靠的電子系統，以及感測器和致動器等次系統的需求日增之際，這些系統和次系統必須相互溝通而非獨立運作。汽車電子傳統上是由小型離散元件構成，它們通常依賴專屬和專用的有線通訊機制，並透過線路直接提供電源輸出給致動器，許多感測器系統即採用這種方法。但這種方式需要很大的電路板面積、龐大的引擎控制單元 (ECU)機身，以及數量眾多的連接線路。而連接線路會帶來許多問題，因為它會佔用空間、增加重量和提高成本，並且很容易耦合汽車電磁雜訊，維護也相當困難。
所幸，汽車網路標準及混合訊號半導體製程的進步不但逐漸解決這些問題，還能協助將智慧型系統分散到車內各處。另外，控制區域網路(CAN，Controller Area Network)和目前已發展到2.0版的區域互連網路(LIN，Local Interconnect Network)都已被廣泛採用，這些都是汽車網路標準化的重要趨勢。這些網路標準讓各種汽車電子系統在效能與成本之間取得最佳平衡。CAN網路提供汽車底盤、傳動系統和車身背板通訊所需的高速網路，LIN網路則能透過標準化降低成本和提高可靠性，進而滿足感測器和致動器次系統對於簡單網路的需求。就在CAN網路獲得廣泛應用和LIN網路出現的同時，混合訊號半導體製程技術也不斷進步，它能將小型汽車電子系統所需的全部功能整合到一顆或數顆晶片，協助廠商發展出更先進的系統。汽車網路標準和先進混合訊號製程帶給汽車製造商一個發展新型低成本汽車電子系統和降低現有系統成本的機會。它們還能讓系統更容易維護也更可靠，同時提供乘客舒適與安全的保障。
汽車網路
CAN網路標準不但已相當成熟，還在經過修改後成為系統與引擎控制單元之間的實質通訊標準。CAN網路是一種兩線式高速差動匯流排，額定資料速率高達1Mbps，但通常只用於125-500kbps之間。CAN網路採用特別設計的差動驅動器，它能提供正差動電壓或做為高阻抗連接至匯流排。系統可利用這種實體層特性提供CAN協定所定義的CSMA/CD+CR無損失仲裁功能。在這種架構下，任何節點都能在前面的訊息送出後存取匯流排；若有兩個節點試圖同時傳送訊息，則訊息優先權較高的節點會取得匯流排使用權，並繼續傳送訊息，不需重新開始傳送過程，也不會喪失已傳送的資料。引擎控制單元的CAN網路通常包含一個內建CAN協定控制器的微處理器(微控制器或是DSP)，另外還有一個CAN收發器和其它支援電路。可惜這類系統多半過於複雜，無法整合到一個單石元件。但隨著混合訊號製程及整合能力的進步，許多以IC和混合訊號ASIC為基礎的系統已能採用一個微控制器和一個混合訊號元件組成的雙晶片解決方案，或至少降低引擎控制單元所需的元件數目。
LIN網路最初是以車身電子為目標，但隨後也用在其它許多地方。在現有的汽車電子匯流排標準中，LIN是最能滿足單一系統內多數感測器與致動器通訊需求的解決方案。這些感測器與致動器可視為車身電子的次系統，因為LIN網路本來就是做為汽車的次網路，所以很適合由LIN網路提供支援。LIN網路的最大額定資料速率為20kbps，這已能滿足多數感測器和致動器的要求。LIN是一種時間觸發型主從網路，故不需為多個同時提出要求的裝置進行仲裁，此外，LIN也是一種單線式網路，這能減少接線和束線的使用，協助節省重量、空間和成本。
LIN標準是區域互連網路聯盟(LIN Consortium)針對低成本的汽車次網路應用所制定，很適合利用現今混合訊號半導體製程的整合能力。LIN是一種相當簡單的網路協定，不但能透過非同步序列界面(UART/SCI)操作，僕節點還能自我同步和使用晶片內含的RC振盪器，不需要石英晶體或陶瓷諧振器，如此能大幅降低成本。由於LIN網路所需的半導體元件成本並不高，所以特別適合汽車電子次系統輸出元件和訊號調節元件常用的混合訊號製程技術。LIN主節點通常是LIN次網路到CAN網路的橋接節點，而且每輛汽車常有數個LIN次網路，此外LIN主節點較複雜和功能較強，而LIN僕節點通常則較為簡單，因此能整合到單晶片次系統。
LIN和CAN已經取代許多現有的通訊架構，像是早期的網路機制、脈衝寬度調變(PWM)和可變脈衝寬度(VPW)架構，它們所用的實體層設計各有不同。多數非網路機制都沒有方向性，而且每個訊號至少需要一條專屬連線。因此，這些架構只能提供有限或完全無法提供雙向通訊和診斷能力。另外，由於它們多為專屬解決方案，所以無法具備開放標準所帶來的經濟規模和設計重複使用等優點。
先進混合訊號製程
CAN和LIN標準的廣泛應用是汽車電子的一項重要發展，而且它正隨著混合訊號製程技術的進步而更為重要。今天，有些半導體廠商已能同時掌握高速CMOS數位製程和先進混合訊號/類比製程知識，並利用它們提供幾年前所無法想像的系統整合度。汽車電子應用可使用許多先進的混合訊號製程，例如線性Bi-CMOS(LBC或BCD)、高電壓CMOS和絕緣層上覆矽(SoI)。許多這些製程都能將全部汽車電子功能整合到一個單石系統單晶片或幾個元件，包括實體層界面、電源、高壓電路、數位邏輯、記憶體和精準類比功能。
如果系統需要晶片內建智慧功能，先進混合訊號製程也能整合相當程度的數位邏輯、硬體數位處理、網路協定引擎和多個小型微處理器。舉例來說，混合訊號設計可能包含狀態機器和協定引擎等邏輯功能，它們可以透過LIN回應標準網路命令，以便控制感測器或致動器並報告它們的狀態。這種系統單晶片整合對於觸控式(one-touch)電動車窗等應用非常有用，因為它需要執行演算法監控車窗以免夾到手指、報告系統內的問題，以及提供技師所需的診斷功能。如果某些複雜應用需要較高的通訊速度，它們也可在這種整合LIN通訊功能的半導體製程協助下，把CAN功能整合到混合訊號元件。
汽車電子次系統範例
要瞭解以LIN標準為基礎的電子次系統，德州儀器(TI)以其LBC製程發展的LIN-2.0收發器和目錄型(標準型)穩壓器TPIC1021就是最好的例子。這顆元件可做為起點，讓設計人員繼續利用LBC製程整合其它零件，進而發展出低成本、強大可靠、可以連接汽車電路和LIN網路、並且提供所有必要功能的系統單晶片。典型的系統單晶片功能包括系統所需的車用穩壓器、一個網路收發器、感應器輸入類比濾波功能、電源輸出、一個類比數位轉換器(ADC)、數位濾波與控制、以及一個網路協定控制器。圖1就是以LBC製程為基礎的完全整合感應器次系統範例。這款元件提供高階整合及電路保護功能，特別適合空間及成本有限的嚴峻汽車電子應用環境。
圖1：採用LBC製程的感測器次系統單晶片
圖2是利用LBC製程發展的系統基礎晶片(System Base Chip)範例；相較於先前的致動器次系統，它能減少所需的半導體元件數目，同時提供更多功能。如圖1所示，這類次系統能在LIN次網路上與感測器次系統共存及合作。這個系統基礎晶片整合了一個汽車電池穩壓器、一個電壓監督及重設電路、高電壓使用者開關界面、上端驅動器、兩個用來驅動馬達或高電流負載繼電器的下端驅動器、控制迴路的回授運算放大器、保護電路和LIN 2.0相容收發器。這個元件可以直接連到系統的微控制器，該微控制器負責提供電動車窗防夾功能等控制演算法，以及這個次系統的LIN協定處理功能。
這個混合訊號製程技術還能協助其它應用，把這兩個元件的功能方塊以及其它功能整合在一起，包括單電壓和多電壓的線性和交換式穩壓器、不同的上端與下端驅動架構、各種運算放大器、數位邏輯、以及LIN和CAN等汽車網路界面。可能的電源輸出模組包括H橋架構的智慧型單相直流電刷馬達驅動器，以及三相直流電刷馬達和繼電器的驅動器。許多汽車電子系統都有使用這些元件，包括汽車底盤、傳動系統、電動座椅和後照鏡、車門鎖、擋風玻璃雨刷和除霧器、電動車窗和天線、空調以及提供使用者各種舒適與安全的電子系統。
汽車電子系統優點
採用標準汽車網路架構和更高整合的混合訊號元件會帶來許多系統層級優點。
首先是系統能更為強固可靠，同時也更容易診斷，因為利用標準網路提供雙向通訊功能後，系統即可在發生問題時取得診斷和故障資訊。另外，把專屬界面移走後，系統與軟體的開發就能採用以可靠和已知標準為基礎的常見通訊機制，未來也更容易重複使用這些系統與軟體。
第二個優點是減少所需連線。使用標準汽車網路架構後，就能發展出只需三條線(LIN：電池、地線和LIN)或四條線(CAN：電池、地線和CANH和CANL)，並且提供豐富功能和診斷能力的系統。減少連線需求就能降低成本、減輕重量、簡化工廠安裝和減少可能故障來源。
功能整合還提供許多其它優點，例如電路板和機身空間能更小，使得這些電子系統更容易放在車內不同位置，線路安排的顧慮也更少。另外，由於使用零件的數量減少，需要庫存、認證和監控的組件也更少。在這些優點中，有些還能減少重量和使用空間，這些都是汽車設計的重要考慮因素。
這些進展使得汽車電子系統的智慧與功能能更為強大。下一代混合訊號汽車電子元件會整合更高的效能及處理能力，它們將提供可程式能力和更大的彈性，用以滿足未來的汽車電子系統需求。隨著這些系統發展得更先進，只要最終客戶願意支付購買，汽車電子設計人員就能把他們所能想到的任何應用轉化為實際產品。
電子零件對汽車工業的發展日趨重要，尤其在低成本且可靠的電子系統，以及感測器和致動器等次系統的需求日增之際，這些系統和次系統必須相互溝通而非獨立運作。汽車電子傳統上是由小型離散元件構成，它們通常依賴專屬和專用的有線通訊機制，並透過線路直接提供電源輸出給致動器，許多感測器系統即採用這種方法。但這種方式需要很大的電路板面積、龐大的引擎控制單元 (ECU)機身，以及數量眾多的連接線路。而連接線路會帶來許多問題，因為它會佔用空間、增加重量和提高成本，並且很容易耦合汽車電磁雜訊，維護也相當困難。
所幸，汽車網路標準及混合訊號半導體製程的進步不但逐漸解決這些問題，還能協助將智慧型系統分散到車內各處。另外，控制區域網路(CAN，Controller Area Network)和目前已發展到2.0版的區域互連網路(LIN，Local Interconnect Network)都已被廣泛採用，這些都是汽車網路標準化的重要趨勢。這些網路標準讓各種汽車電子系統在效能與成本之間取得最佳平衡。CAN網路提供汽車底盤、傳動系統和車身背板通訊所需的高速網路，LIN網路則能透過標準化降低成本和提高可靠性，進而滿足感測器和致動器次系統對於簡單網路的需求。就在CAN網路獲得廣泛應用和LIN網路出現的同時，混合訊號半導體製程技術也不斷進步，它能將小型汽車電子系統所需的全部功能整合到一顆或數顆晶片，協助廠商發展出更先進的系統。汽車網路標準和先進混合訊號製程帶給汽車製造商一個發展新型低成本汽車電子系統和降低現有系統成本的機會。它們還能讓系統更容易維護也更可靠，同時提供乘客舒適與安全的保障。
汽車網路
CAN網路標準不但已相當成熟，還在經過修改後成為系統與引擎控制單元之間的實質通訊標準。CAN網路是一種兩線式高速差動匯流排，額定資料速率高達1Mbps，但通常只用於125-500kbps之間。CAN網路採用特別設計的差動驅動器，它能提供正差動電壓或做為高阻抗連接至匯流排。系統可利用這種實體層特性提供CAN協定所定義的CSMA/CD+CR無損失仲裁功能。在這種架構下，任何節點都能在前面的訊息送出後存取匯流排；若有兩個節點試圖同時傳送訊息，則訊息優先權較高的節點會取得匯流排使用權，並繼續傳送訊息，不需重新開始傳送過程，也不會喪失已傳送的資料。引擎控制單元的CAN網路通常包含一個內建CAN協定控制器的微處理器(微控制器或是DSP)，另外還有一個CAN收發器和其它支援電路。可惜這類系統多半過於複雜，無法整合到一個單石元件。但隨著混合訊號製程及整合能力的進步，許多以IC和混合訊號ASIC為基礎的系統已能採用一個微控制器和一個混合訊號元件組成的雙晶片解決方案，或至少降低引擎控制單元所需的元件數目。
LIN網路最初是以車身電子為目標，但隨後也用在其它許多地方。在現有的汽車電子匯流排標準中，LIN是最能滿足單一系統內多數感測器與致動器通訊需求的解決方案。這些感測器與致動器可視為車身電子的次系統，因為LIN網路本來就是做為汽車的次網路，所以很適合由LIN網路提供支援。LIN網路的最大額定資料速率為20kbps，這已能滿足多數感測器和致動器的要求。LIN是一種時間觸發型主從網路，故不需為多個同時提出要求的裝置進行仲裁，此外，LIN也是一種單線式網路，這能減少接線和束線的使用，協助節省重量、空間和成本。
LIN標準是區域互連網路聯盟(LIN Consortium)針對低成本的汽車次網路應用所制定，很適合利用現今混合訊號半導體製程的整合能力。LIN是一種相當簡單的網路協定，不但能透過非同步序列界面(UART/SCI)操作，僕節點還能自我同步和使用晶片內含的RC振盪器，不需要石英晶體或陶瓷諧振器，如此能大幅降低成本。由於LIN網路所需的半導體元件成本並不高，所以特別適合汽車電子次系統輸出元件和訊號調節元件常用的混合訊號製程技術。LIN主節點通常是LIN次網路到CAN網路的橋接節點，而且每輛汽車常有數個LIN次網路，此外LIN主節點較複雜和功能較強，而LIN僕節點通常則較為簡單，因此能整合到單晶片次系統。
LIN和CAN已經取代許多現有的通訊架構，像是早期的網路機制、脈衝寬度調變(PWM)和可變脈衝寬度(VPW)架構，它們所用的實體層設計各有不同。多數非網路機制都沒有方向性，而且每個訊號至少需要一條專屬連線。因此，這些架構只能提供有限或完全無法提供雙向通訊和診斷能力。另外，由於它們多為專屬解決方案，所以無法具備開放標準所帶來的經濟規模和設計重複使用等優點。
先進混合訊號製程
CAN和LIN標準的廣泛應用是汽車電子的一項重要發展，而且它正隨著混合訊號製程技術的進步而更為重要。今天，有些半導體廠商已能同時掌握高速CMOS數位製程和先進混合訊號/類比製程知識，並利用它們提供幾年前所無法想像的系統整合度。汽車電子應用可使用許多先進的混合訊號製程，例如線性Bi-CMOS(LBC或BCD)、高電壓CMOS和絕緣層上覆矽(SoI)。許多這些製程都能將全部汽車電子功能整合到一個單石系統單晶片或幾個元件，包括實體層界面、電源、高壓電路、數位邏輯、記憶體和精準類比功能。
如果系統需要晶片內建智慧功能，先進混合訊號製程也能整合相當程度的數位邏輯、硬體數位處理、網路協定引擎和多個小型微處理器。舉例來說，混合訊號設計可能包含狀態機器和協定引擎等邏輯功能，它們可以透過LIN回應標準網路命令，以便控制感測器或致動器並報告它們的狀態。這種系統單晶片整合對於觸控式(one-touch)電動車窗等應用非常有用，因為它需要執行演算法監控車窗以免夾到手指、報告系統內的問題，以及提供技師所需的診斷功能。如果某些複雜應用需要較高的通訊速度，它們也可在這種整合LIN通訊功能的半導體製程協助下，把CAN功能整合到混合訊號元件。
汽車電子次系統範例
要瞭解以LIN標準為基礎的電子次系統，德州儀器(TI)以其LBC製程發展的LIN-2.0收發器和目錄型(標準型)穩壓器TPIC1021就是最好的例子。這顆元件可做為起點，讓設計人員繼續利用LBC製程整合其它零件，進而發展出低成本、強大可靠、可以連接汽車電路和LIN網路、並且提供所有必要功能的系統單晶片。典型的系統單晶片功能包括系統所需的車用穩壓器、一個網路收發器、感應器輸入類比濾波功能、電源輸出、一個類比數位轉換器(ADC)、數位濾波與控制、以及一個網路協定控制器。圖1就是以LBC製程為基礎的完全整合感應器次系統範例。這款元件提供高階整合及電路保護功能，特別適合空間及成本有限的嚴峻汽車電子應用環境。
圖1：採用LBC製程的感測器次系統單晶片
圖2是利用LBC製程發展的系統基礎晶片(System Base Chip)範例；相較於先前的致動器次系統，它能減少所需的半導體元件數目，同時提供更多功能。如圖1所示，這類次系統能在LIN次網路上與感測器次系統共存及合作。這個系統基礎晶片整合了一個汽車電池穩壓器、一個電壓監督及重設電路、高電壓使用者開關界面、上端驅動器、兩個用來驅動馬達或高電流負載繼電器的下端驅動器、控制迴路的回授運算放大器、保護電路和LIN 2.0相容收發器。這個元件可以直接連到系統的微控制器，該微控制器負責提供電動車窗防夾功能等控制演算法，以及這個次系統的LIN協定處理功能。
這個混合訊號製程技術還能協助其它應用，把這兩個元件的功能方塊以及其它功能整合在一起，包括單電壓和多電壓的線性和交換式穩壓器、不同的上端與下端驅動架構、各種運算放大器、數位邏輯、以及LIN和CAN等汽車網路界面。可能的電源輸出模組包括H橋架構的智慧型單相直流電刷馬達驅動器，以及三相直流電刷馬達和繼電器的驅動器。許多汽車電子系統都有使用這些元件，包括汽車底盤、傳動系統、電動座椅和後照鏡、車門鎖、擋風玻璃雨刷和除霧器、電動車窗和天線、空調以及提供使用者各種舒適與安全的電子系統。
汽車電子系統優點
採用標準汽車網路架構和更高整合的混合訊號元件會帶來許多系統層級優點。
首先是系統能更為強固可靠，同時也更容易診斷，因為利用標準網路提供雙向通訊功能後，系統即可在發生問題時取得診斷和故障資訊。另外，把專屬界面移走後，系統與軟體的開發就能採用以可靠和已知標準為基礎的常見通訊機制，未來也更容易重複使用這些系統與軟體。
第二個優點是減少所需連線。使用標準汽車網路架構後，就能發展出只需三條線(LIN：電池、地線和LIN)或四條線(CAN：電池、地線和CANH和CANL)，並且提供豐富功能和診斷能力的系統。減少連線需求就能降低成本、減輕重量、簡化工廠安裝和減少可能故障來源。
功能整合還提供許多其它優點，例如電路板和機身空間能更小，使得這些電子系統更容易放在車內不同位置，線路安排的顧慮也更少。另外，由於使用零件的數量減少，需要庫存、認證和監控的組件也更少。在這些優點中，有些還能減少重量和使用空間，這些都是汽車設計的重要考慮因素。
這些進展使得汽車電子系統的智慧與功能能更為強大。下一代混合訊號汽車電子元件會整合更高的效能及處理能力，它們將提供可程式能力和更大的彈性，用以滿足未來的汽車電子系統需求。隨著這些系統發展得更先進，只要最終客戶願意支付購買，汽車電子設計人員就能把他們所能想到的任何應用轉化為實際產品。
