1. 前言
今天電子元件在汽車內的比例正在不斷增加，在未來5年內，全球汽車電子系統市場年成長率有望穩定在7%左右，特別是車身電子市場將會保持同樣的成長趨勢[1]。今天，不同的應用要求是汽車電子系統總體發展趨勢的決定性因素，同時還是半導體工業應用創新和產品規劃的動力。為了便於討論，本文將這些創新動力歸為四大類（動力之間差異有時不是很清晰）加以分析。
今天電子元件在汽車內的比例正在不斷增加，在未來5年內，全球汽車電子系統市場年成長率有望穩定在7%左右，特別是車身電子市場將會保持同樣的成長趨勢[1]。今天，不同的應用要求是汽車電子系統總體發展趨勢的決定性因素，同時還是半導體工業應用創新和產品規劃的動力。為了便於討論，本文將這些創新動力歸為四大類（動力之間差異有時不是很清晰）加以分析。
- 產業標準和法規要求
適用於廢氣排放、電子系統和單個元件
- 特殊應用要求
包括提高可靠性、診斷功能智慧化和車身尺寸縮減和汽車減重要求
- 最佳化系統成本
降低擁有權總成本是提高市場競爭力和電子產品覆蓋率的必要條件
- 新應用領域
2. 產業標準和法規要求
關於電子系統和元件
除必須符合AEC-Q100汽車電子元件檢測標準外，汽車電子元件還須符合其它的各種產業標準法規。一般情況下，從設計規則到封裝技術再到產品測試，整個產品開發環節都會受到法規的影響。
除必須符合AEC-Q100汽車電子元件檢測標準外，汽車電子元件還須符合其它的各種產業標準法規。一般情況下，從設計規則到封裝技術再到產品測試，整個產品開發環節都會受到法規的影響。
例如，電磁相容性標準是對產品的電磁輻射和抗干擾能力的要求，目前市場上存在多套電磁相容性技術標準，按適用範圍劃分，某些標準是汽車工業專用電磁相容性標準；按標準組織劃分，有些標準則是國際標準（CISPR/ISO），有些則是地方標準 （北美的SAE）。事實上，為達到CISPR-25標準的最高等級的要求（5級），使輸出電壓在驅動器導通和關斷波形對稱，意法半導體最新的VIPower M0-7高邊驅動器的柵驅動器採用了特殊的設計方法。
為確保不同廠商的收發器能夠互通互連，國際標準還對LIN和CAN收發器測試進行了規範。電子元件的危害物質使用限制（RoHS）法規推動了電子產品無鉛化，鼓勵半導體廠商開發新的封裝技術，考慮產品微型化、高功率密度、散熱性能和環保等要求。
這些產業標準的不斷更新升級讓汽車工業面臨的更嚴峻的挑戰，迫使半導體工業與汽車電子工業標準接軌。在與這些標準法規接軌過程中，汽車電子廠商分成兩大陣營：一個陣營跟著新法規被動更新，另一個陣營是超越法規本身，主動參與標準化組織的開發工作。
在汽車半導體產業深耕25年之久，意法半導體決定積極參加標準化組織的開發活動。例如，20年前加入汽車電子委員會（AEC），首次提出短路可靠性定性分析理論，與汽車電子系統廠商和整車廠商合作，參與國際標準組織的未來標準開發（例如，SWITCH組織正在開發未來高速CAN局部網路技術要求）。
關於汽車排放問題
除適用於電子系統和單個元件的排放限制外，全球各地環境法規還對汽車的污染物和CO2排放做出明確限制。這種發展趨勢正在改變汽車的系統架構，特別是電力負載的電源，推動汽車採用能效更高的電子解決方案。
受新標準影響最大是的汽車動力總成系統，例如，全時皮帶傳動式負載正在被電動馬達取代，油液泵和風扇也開始採用能效更高的無刷直流馬達。此外，車身控制模組 （BCM）也受到新標準的影響，例如，根據市場研究報告[2]，固態智慧電源開關的廣泛使用可大幅降低電纜成本和重量，電纜重量最多可降低50千克，CO2排放量降低3.5g/km，詳見本文後面的章節。
3. 特殊應用要求
汽車電子元件市場覆蓋率今後幾年有望持續成長，主動/被動安全系統、增強型人機介面（抬頭顯示器、觸控式螢幕等）和車身便利功能領漲，特別值得一提的是，市場對更高品質汽車的需求將會拉動高端汽車銷量成長。在2013至2018年間，中國汽車電子市場預計成長最快，年複合成長率有望達到3.5% [1]。
隨著汽車電子化水準不斷提高，汽車系統將會變得更加複雜，這將對汽車身電子系統構成影響，同時還給電子系統架構定義和有特殊應用要求/需求的設計帶來不小的挑戰：
- 電力負載數量增多同時空間和重量雙雙降低將挑戰印刷電路板散熱處理能力
- 為最大幅度減少印刷電路板上的線路數量和所需的應用資源，固態電源開關需要簡單的診斷功能
- ECU之間和ECU與電力負載之間的線路數量需要最佳化和最小化，以抵消因總體複雜性提高而增加的線路數量和重量
- 電氣線束截面及重量也需要最佳化和最小化，以抵消因總體複雜性提高而增加的線路數量和重量
- 待機電流需要最小化
- 可靠性需要最大化
- 為最大幅度減少印刷電路板上的線路數量和所需的應用資源，固態電源開關需要簡單的診斷功能
- ECU之間和ECU與電力負載之間的線路數量需要最佳化和最小化，以抵消因總體複雜性提高而增加的線路數量和重量
- 電氣線束截面及重量也需要最佳化和最小化，以抵消因總體複雜性提高而增加的線路數量和重量
- 待機電流需要最小化
- 可靠性需要最大化
車身控制模組的功率密度和應用微控制器資源的最小化
如前文所述，因為車身控制模組管理的負載數量日益增加，而車身控制模組的重量和尺寸不斷降低時，車身控制模組本身的功率密度將會大幅提高。因此，控制系統性能即監測負載功耗和印刷電路板/元件溫度非常重要。值得注意的是，監測每個負載的功耗和溫度對監測應用微控制器的計算能力提出了更高的要求。
如前文所述，因為車身控制模組管理的負載數量日益增加，而車身控制模組的重量和尺寸不斷降低時，車身控制模組本身的功率密度將會大幅提高。因此，控制系統性能即監測負載功耗和印刷電路板/元件溫度非常重要。值得注意的是，監測每個負載的功耗和溫度對監測應用微控制器的計算能力提出了更高的要求。
最新的VIPower M0-7系列高邊驅動器（HSD）按照應用要求為改進了診斷回饋，使用一個叫做多感測器針腳的類比輸出，可監測最多4路（負載）工作電流、電池電壓和設備散熱器溫度，微控制器資源佔用很少。新高邊驅動器具有如下優勢：
• 透過最大幅度減少外部元件和印刷電路板上控制級與執行級之間的連線數量，簡化印刷電路板設計
• 在開發階段，透過功率元件執行印刷電路板熱圖分析，簡化車身控制模組的功能最佳化 過程
• 在模組製造完成後檢查焊接過程
• 當模組過熱時，智慧 “配電”可選擇性關閉相關負載
• 強化的斷態即時診斷功能 （甚至可以發現斷態元件的異常過熱）
• 在開發階段，透過功率元件執行印刷電路板熱圖分析，簡化車身控制模組的功能最佳化 過程
• 在模組製造完成後檢查焊接過程
• 當模組過熱時，智慧 “配電”可選擇性關閉相關負載
• 強化的斷態即時診斷功能 （甚至可以發現斷態元件的異常過熱）
最大幅度降低連線數量和線束截面
根據意法半導體估算，在機電式繼電器被大量電子開關取代後，汽車電氣線束的截面可縮小二分之一，車身控制模組中的保險使用量也大幅降低，為印刷電路板節省更多的空間，降低重量。
根據意法半導體估算，在機電式繼電器被大量電子開關取代後，汽車電氣線束的截面可縮小二分之一，車身控制模組中的保險使用量也大幅降低，為印刷電路板節省更多的空間，降低重量。
下面是一個典型的使用繼電器控制的照明系統電路圖。
為最大幅度減少保險使用量，通常的做法是將負載集中安裝，以便共用同一個保險。現在我們以兩個轉向燈為例討論這個問題。顯然，所選保險的額定值必須能夠承受所有負載同時工作所需的最大工作電流（在本例中：最大工作電流為 21W+21W+5W的2倍）。為確保保險能夠有效保護線纜，所選線束本身必須在任何條件下能夠承受比保險額定電流值（本例中是15A）更高的短路電流。因此，佈線設計必須考慮總體負載而不是單個線路負載。顯然，理論上我們可透過一個負載一個保險的方法解決這個問題，但是這個解決辦法對成本、重量和空間的要求很高，特別是考慮到前文提到的汽車便利性負載數量日益增加的趨勢。
下圖所示是三條電流－時間曲線:
- 截面0.5mm2的銅線能夠承受的脈衝電流，該脈衝電流與脈衝時長是函數關係
- 當施加與電流脈衝振幅呈函數關係的脈衝電流時， VND7020進入熱關斷模式所用時間
- 轉向燈負載（兩隻21W燈泡及1個 5W燈泡）曲線（典型）
- 截面0.5mm2的銅線能夠承受的脈衝電流，該脈衝電流與脈衝時長是函數關係
- 當施加與電流脈衝振幅呈函數關係的脈衝電流時， VND7020進入熱關斷模式所用時間
- 轉向燈負載（兩隻21W燈泡及1個 5W燈泡）曲線（典型）
從圖中可以看出，VND7020曲線位於負載和線纜曲線之間，表示工作條件正常，未進入熱關斷模式，當出現超載（例如，短路）時，該元件可以保護線纜。
這個多通道元件的每個通道都具有保護功能，開發人員可根據負載特點選擇線纜，同時可透過電子技術保護線纜，保險被替代可進一步節省空間，降低重量，節省成本。例如，如果使用高邊驅動器，負載連接圖可做如下修改：
4. 最佳化系統成本
過去幾年，車身控制模組的複雜性和市場期待的系統功能局限於數量有限的負載驅動和較弱的診斷功能，因此，降低系統成本的壓力主要集中在這些為數不多的數負載所需的驅動晶片。如前文所述，這種局面正在快速改變。車身電腦驅動的負載數量的增加以及車企對提高診斷和安全性的迫切要求導致汽車系統變得更加複雜，將降低成本的關注點從單純的半導體轉向汽車的總系統成本。
過去幾年，車身控制模組的複雜性和市場期待的系統功能局限於數量有限的負載驅動和較弱的診斷功能，因此，降低系統成本的壓力主要集中在這些為數不多的數負載所需的驅動晶片。如前文所述，這種局面正在快速改變。車身電腦驅動的負載數量的增加以及車企對提高診斷和安全性的迫切要求導致汽車系統變得更加複雜，將降低成本的關注點從單純的半導體轉向汽車的總系統成本。
在尺寸確定的印刷電路板上，提高模組複雜性對電子元件的整合度有更高的要求。這一趨勢在智慧電源開關上最為明顯，設備必須整合更多的智慧功能（例如，保護和診斷），同時壓縮晶片和封裝的尺寸，最大幅度降低印刷電路板尺寸、重量和成本。意法半導體的高邊驅動器推動這一市場趨勢， 從歷史看，每一代VIPower-M0技術都將晶片尺寸縮小40%至 50%，這為使用更小的封裝提供了可能，例如，PowerSSO-16。這個新封裝的面積為20 mm2，能夠容納多顆M0-7 HSD開關，單通道開關導通電阻最低 10mΩ，四通道開關導通電阻最低 50mΩ。
雖然晶片尺寸變小，但是散熱性能並沒有因此而受到影響，意法半導體的晶片製造技術和封裝技術使PSSO-16封裝具有出色的熱性能表現 （在4層印刷電路板上，熱阻RTH為 21 °C/W）。
從降低擁有權總成本角度看，車企要求車身電子系統必須支援模組化（例如，大眾的MQB平台）。透過讓車企在不同汽車市場和車型上重複使用同一印刷電路板，模組化解決方案可降低設計、測試、製造等環節的成本，提高產品品質，縮短研發週期。
為滿足這個要求，意法半導體VIPower M0 高邊驅動器同代產品針腳與針腳相容，軟體相容，在M0-5 產品上出現的擴展性在M0-7上被改進升級，大約70%的在售產品共用同一封裝 （PPSO-16），覆蓋不同的導通電阻值和通道數量 （PSSO16有單通道或雙通道產品）。這些特性可提高模組再用性，只要在生產過程中焊接不同的驅動器，即可透過同一個印刷電路板設計驅動不同的電氣負載。
開發人員透過使用熱分析軟體工具，確定適合的印刷電路板尺寸、元件選型和物理定位，可進一步降低車身控制模組的總開發成本。意法半導體在熱分析領域積累了豐富的測試經驗，如果客戶需要，能夠提供專門的負載相容報告、負載模組劃分支援和印刷電路板熱性能改進方案。
5. 新應用領域
本文討論的最後一個創新動力是新車身電子應用領域。LED光源取代鹵素燈和HID燈已經是當前汽車市場的大趨勢。此外，汽車配電盒電子化是半導體產品在傳統市場外的最大商機。
本文討論的最後一個創新動力是新車身電子應用領域。LED光源取代鹵素燈和HID燈已經是當前汽車市場的大趨勢。此外，汽車配電盒電子化是半導體產品在傳統市場外的最大商機。
在今天的配電盒內通常有多達200個保險和30個繼電器，僅硬體重量就達到1.5 kg，外觀尺寸也不容忽視。此外，傳統保險需要干預時間，採用這樣的保險要求車企按照保險特性而不是額定負載選擇佈線方案。
意法半導體顯然發現了這個市場趨勢，並擁有相關的製造技術和研發實力，為市場提供具有特殊功能（例如：低導通電阻、低待機通態靜電流）並且可取代保險和繼電器的配電解決方案。
