行动性（mobility）现已成为日常生活中的基本组成部分，而汽车在其中扮演着重要的角色。现今的汽车正把越来越多的电子产品整合进来。在1995到2005年间，汽车采用的半导体元件数量增加了三倍，并预期到2009年将进一步增加至425％[1]。液压式和机械式致动器（actuator）将逐渐由电子元件所取代。电子及电气设备在汽车中所占比重预计将从目前的15％～20％攀升到2015年的35％。为了满足降低燃料消耗和废气排放所制定的法规，以及增强汽车安全性和便利性的新功能之引进，都进一步地推动了此一趋势的发展。

除了以电子元件取代对应的液压和机械元件来减少车体重量之外，效率的提高也是一个重要的驱动因素。藉由减少引擎盖下面的机械元件来扩大碰撞区域（crash zone），特别是对小型和中型汽车而言，也是主要的考虑因素。如起动器/交流发动机，以及混合动力汽车这样的大功率系统等，已逐渐取得一席之地，尤其是在美国这些市场。

满足怪兽的胃口－直接喷射系统

高压共轨系统的推出是柴油引擎技术发展史上的重要里程碑，此一系统采用螺旋管式喷射器（solenoid injector），能够降低杂讯、提高性能。从电子引擎控制模组的角度来看，汽油和柴油引擎模组变得越来越类似。汽油和柴油引擎的压电式（piezo）直接喷射系统之区别，主要在于喷射器的输出功率不同及软体有异。

采用压电技术的喷射器有几项明显的优势：压电式喷射器的速度很快，这可以缩短停滞时间（deadtimes）并能更精确地控制燃料喷射量，还能进行燃料分层喷射（ stratified injection），进而实现稀薄燃烧引擎。快速的反应还使每次周期的喷射次数增加，以减少气缸中的快速压力变化，同时消除了柴油机的杂讯。

这解决了大量生产初期的喷射器老化问题和陶瓷堆的可靠性问题，同时也使得压电式喷射器变得较成熟。

(图一)为压电式直接喷射系统的架构。实际的模组使用了低压HUFA平板型和 FDB沟槽式系列的低压MOSFET，如250V到300V的MOSFET。此外，还有超快恢复整流二极体、驱动器和IGBT 等元件也被设计进其中。

《图一 压电式直接喷射系统的一般原理图》

看不见的变化－线控驾驶和马达应用

汽车中的液压和机械致动器逐渐被电气元件所取代，此部份正在进行一项安静无声的演变。除了经由取代机械和液压元件来减轻重量外，另一个推动此一变革的因素是整个系统效率的大幅提升。与此同时，由于引擎盖下机械系统减少，进而获得更多空间以加大碰撞区域，也是一个有利的因素。这一点在小型汽车中意义尤其重大。根据这一趋势推出的第一款汽车已于1998年上市。

应用的实例包括用电动泵取代动力转向系的皮带传动液压泵，用转速可变的风扇冷却引擎，以及空调用的闭回路控制压缩机。除了效率更高外，电动辅助转向还提供更精确的控制以提高安全性。由于电动辅助转向的功率要求比传统的液压系统低，所以也可应用在小型的汽车中。 (图二)列出了各种相关的马达应用。

《图二 汽车用马达及线控驾驶应用》

利用电动泵可以精确地控制引擎的冷却，无刷直流（BLDC）驱动通风风扇可提高冷却性能，这些都能减少冷却液的使用，并进而减轻车身重量，使得引擎也能更快地达到工作温度，并同时减小温度在不同负载条件下的漂移速度。此外，热车时间的缩短也能减少废气排放，延长引擎寿命。在1998年推出的BMW 3系中引入了最佳化控制的BLDC冷却风扇，便能节省高达3％的燃油消耗，同时降低了杂讯系数[2]。

在空调中使用马达控制的压缩机可望进一步节省燃油。在现今大多数的系统中，压缩机都是利用引擎工作，经由皮带传动的，而输出功率则视引擎的旋转速度而定。利用单独的马达驱动压缩机，功率输出可以精确地匹配冷却需求。

为了实现燃烧引擎的独立性，用于整个系统的电控驱动可以把所有这些系统与控制网路（CAN）、FlexRay或Byteflight等电子通信网路连接在一起，而以较低的成本实现安全性和舒适性方面的新功能。如下坡时也能保持速度恒定的先进巡航控制；能够根据速度与路况让车辆之间保持安全距离的附加雷达系统；以及更广泛地使用带有ECU 和ABS 的汇流排网路，以产生更好驱动性能和安全性之电子稳定性控制（ESP）系统。

目前一项相当新颖的功能是辅助煞车系统。 ABS系统启用时所产生的皮带震动会使许多驾驶员放开煞车踏板，而这恰好是一项错误的反应，因为这会降低煞车压力，并使ABS无法确保最小的煞车距离。在系统检测到紧急煞车时，即使驾驶员放开了踏板也会保留全部的压力。经过长久期待，但完全由电动启动的煞车系统仍然还未量产。这里已完全除去了液压技术，煞车是直接由高动态轴承马达所启动的。

在煞车踏板和致动器之间既没有机械连接也没有液压链路，只有一条单独的连线。尽管对于潜在风险的讨论很多，最终此一概念仍与电子楔式煞车（EWB）概念一起由S​​iemens VDO公司在推动；而EWB所需的致动器功率需求很低。系统中的大量冗余可以解决所有的安全性问题[3]。

线控驾驶概念也有助于降低控制模组的成本，因为不同应用中电控模组的基本概念都大致相同。功率级必须适用于各种不同驱动。软体的修改不仅需要配合专门的模型或应用的驱动特性，还必需针对个别的汽车来进行，甚至可能对于专门的驱动程式进行配置。

汽车系统的半导体解决方案

汽车中的马达控制应用可分为低功耗和高功耗两种类型：

低功耗

高功耗

●高级雨刷；

●座椅调整；

●电动天窗，车窗自动升降；

●HVAC、空调；

●引擎冷却；

●防锁死煞车/煞车辅助系统/ASR；

●电动液压/电动煞车、EWB；

●电动液压/电动功率转向；

●电子阻尼；

●自动/半自动变速箱、CVT；

●电子气阀（EVT）。

低功耗是指5A以下的耗电。在这个级别，功率级一般均是与控制及保护电路以单晶片（monolithic）的形式整合在一起，甚至也可以把微控制器内核与汇流排界面整合起来。

高功耗系统控制5A以上的电流，包括10A到30A级的功能，如座椅调整、雨刷和车窗升降，以至几百安培的启动系统和HEV。

许多中等电流应用都需要保护和诊断功能。无论是技术还是商业原因，这类系统都不能采用单晶片式的方案。 MOSFET制程使用四到六个光罩步骤，而智慧功率BCD制程则用了十五到二十六个光罩步骤。由于成本主要与晶圆加工时间有关，故对于中等功率级而言，即使是多晶片概念也比单晶片式整合方案的成本更低，这是相当明显的。这种方案可以让功率级和控制电路采用最先进的技术，使得单位晶片面积中的功耗达到最低。其他优势还包括高度模组化、灵活性以及缩短上市时间。 (图三)说明了把两个半桥功率级与控制、保护及诊断功能整合在一个封装中的概念。

《图三 智能开关范例：双半桥功率驱动器》

对于起动器或HEV等这些高功率应用，要满足电流需求，必需将几个MOSFET或IGBT并联。这里会使用到一些专用的客制化构建模组，而KGD（Known Good Die）之概念是成功的关键。过去混合使用的失败教训告诫设计工程师，工业类模组将无法承受汽车内作业时的恶劣环境。

例如以8吋晶圆来生产MOSFET，SMIF设备技术加上1级（class 1）的无尘室，可以在不需要中断制造流程的情况下，便能进行维护甚至生产设备的替换，而所达到的缺陷密度仍然是功率设备产业的一个基准。此外，先进的步进式光蚀刻技术则可保证其分布的精确性。

此外，随着平板制程的引入，条纹设计取代了六角形蜂窝设计，大幅强化了有效通道与晶片面积的关系。这种基本概念也用于更先进的沟槽制程中。目前，在40V状况下，TO-263封装的最小导通电阻为2.4毫欧姆，TO-252封装为5.2毫欧姆。

不过，只靠功率开关并无法获得一功率级。关键因素在于作为控制电路和功率开关之间介面的驱动电路，因此也出现了专为此目的所设计的半桥系列和高阶驱动IC。这些驱动器采用自隔离结构的高压制程，采用dv/dt杂讯消除电路之功率电晶体驱动器，扩大了可允许的负输出摆幅至-10V，而低静态电流电源（70至80uA）以及高阶驱动器级（30至40uA），提供了更高的抗噪讯能力。

另外，内部延迟和触发电平对温度的依赖较低，也可提高其控制精度。 (图四)说明了这种新的高压 IC（HVIC）之晶片构造、布局和dv/dt容差性。最大的耐受电压为600V，所以不仅可以用于标准汽车电压级，对压电式直接喷射、致动器或混合动力车辆等高压系统来说，也很实用。

《图四 HVIC的芯片构造、布局和制程在dV/dt抗噪性的优势》

混合动力汽车和未来的驱动概念

在1999年推出的第一款高容量混合动力汽车是本田的Insight，其后是2000年推出的丰田Prius I。这两款车在美国都出乎意料的受到欢迎，对?多汽车制造商而言是一大冲击，并纷纷群起仿效。从2005到2009年间，预计将有21款新车推出市场[4][5]。

基本上，其中有两种混合系统：微型或中型混合以及完全混合。采用起动器概念的微型混合动力系统会在闲置期关掉引擎，并采用再生能源以供电池充电，其功率级大约为2kW至10kW。中型混合动力车也会采用电动形式来提升对马达的支援，但车辆不能由电动马达单独驱动。完全混合动力车则具有强力的马达驱动系统，足以在没有燃油燃烧的一段时间内驱动车辆。基本上所有的完全混合动力车都具有120V 到 300V 的汇流排电压，功率级为 30kW 至 50kW。

混合动力汽车需要具有高功率密度的高效燃烧引擎。下一步可能是使用最佳化的柴油引擎，尤其是考虑到欧洲市场。二行程引擎具有很高的容积功率，是理想的选择，但传统的结构无法满足目前的排放要求，主要是因为HC排放很高；这是由于废气与进入的燃料空气混合气体相互混杂所造成的。高度精密的直接喷油系统结合简单机械结构的二行程引擎，便有可能实现适用于混合动力汽车需要的紧凑，轻巧之引擎。

按照这种想法来考虑进气门和排气门皆为电子式控制的电子气阀（EVT）引擎，任何工作模式，不论是二行程、四行程甚至任何行程都是可能的，因为没有限制凸轮轴的边界条件。典型四气缸引擎之气阀启动需要多达64个MOSFET。这就得出一个结论：功率元件的前景将是一片光明！

（作者为Fairchild快捷半导体欧洲区现场应用工程经理）

＜参考资料：

[1] Wolfgang Hauptmann, Mikro Elektronik Trend Analyse, 2006,

ZVEI Fachverband Electronic Components and Systems

[2] Automobilindustrie, No.6, 1998

[3] Siemens EWB, AutoTechnology Vol. 5, 2006, p.24

[4] Automotive, Vol 1-2, 2006, p.14

"[5] electric hybrid, vehicle technology international, annual review 2004

延伸阅读	LED由于具备小体积、寿命长、低耗电以及反应速度快等优点，已成为备受瞩目的新一代车灯光源技术；车头灯受限于单颗LED亮度不够、价格太高等因素，世界各国仍处于研发阶段，预计要二至三年后才会迈入商业化量产阶段。相关介绍请见「LED汽车头灯商机潜力大　散热问题待克服」一文。 虽然目前的汽车头灯仍以卤素灯及HID为主流，而就目前的国际车展来看，各国汽车厂展览均已将LED灯组（含前后灯）列入概念车配备中展示，并且对于研发LED头灯展现高度的期待与企图。你可在「车用LED头灯组研发介绍」一文中得到进一步的介绍。 从汽车业务员手中接过车及资料和晶片钥匙，在跨进驾驶座置入晶片钥匙后，车内各种系统同时启动，不到半秒的时间，各显示灯正常亮起，车内宁静得让人怀疑车子是否已经是在启动的状态下。在「电子系统实现安全　舒适与环保的未来行车梦想」一文为你做了相关的评析。

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由华创车电、台湾三叶、大亿、帝宝等多家汽、机车业整车与车灯大厂，与财团法人车辆研究测试中心共同投入开发的白光二极体LED头灯，日前已通过亮度测试，将循汽车、机车与车灯售后服务件等三大市场应用体系，开始导入量产，可望率先全球各国完成商品化。相关介绍请见「台湾抓稳LED头灯商机」一文。 由于LED具有高亮度、省电、低热量及反应时间短等优点，所以近日内被大量运用于车辆灯组的使用上，如方向灯、尾灯及煞车灯等；而于车辆灯具制造享有盛名的德国Hella大厂，已累积许多LED之制造研发技术，宣布2008年时可转移至车辆前灯使用，并达到量产之目标。你可在「啵儿亮！ LED头灯 Hella抢先上路！」一文中得到进一步的介绍。 从上个世纪早期开始到现在，汽车外部照明一直使用灯丝型灯泡，然而，这种历史悠久的灯泡可能在下个十年（2011～2020）最终退出汽车头灯和后灯市场，因为人们正为汽车设计一种更明亮的新型发光二极体（LED）。在「高亮度LED试图完全取代汽车白炽灯」一文为你做了相关的评析。