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半导体技术在汽车中的应用
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Application of Semiconductor Technologies in Automobile
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汽车已成为集成新型电子技术的终极"载体"。其耗能指标、采用的半导体种类和增长速度给人以深刻的印象。当今顶级的汽车采用了80多个微控制器，而用于执行各类系统功能（包括动力控制、防锁制动装置和气囊系统等）的IC数量甚至更多。在世界上的许多地区，这些系统基本上都是标准设备。半导体技术还使更多的特别应用成为现实，如障碍物检测、车载蜂窝电话、车载计算机、远程信息处理系统和防盗装置等。电子技术为汽车提供了越来越多的功能。
日益复杂的汽车和交通设施要求包括导航、防撞、自动收费、夜视，甚至涉及未来汽车所需的自动驾驶系统。许多此类系统的技术来源于军事和航天领域的最新成果。新技术必须能够得到消费者的广泛青睐。
许多汽车电子产品采用多种半导体技术，以满足系统在性能和成本上的期望目标。表1列出了在当今汽车电源管理应用中采用的常见半导体技术。双极型工艺开始是在车辆中的第一个模拟系统中使用的。CMOS是数字时代的关键工艺技术之一。用于对提供给不同系统的电源以及在这些系统中转换的电源进行控制的MOS选通功率器件就源于该技术。表1给出了MOS选通功率MOSFET和IGBT之间的区别。选择BiCMOS和/或CMOS工艺是为了满足最高的性能和集成度之需。智能功率IC结合了双极型、CMOS和DMOS工艺，旨在提供更高的功率电平以及保护与性能特征集成度。
半导体中的集成
在嵌入式控制领域，微控制器仍在继续集成更多的功能，但还远远没有达到系统级芯片（SoC）的水平。它们不能检测机械参数。它们只能对低电流进行开关操作（相对分立功率MOSFET而言），并具有低电压（相对于绝缘栅双极型晶体管IGBT）。因此，半导体制造商正在对现有技术、工艺改进以及新型器件进行研究，以实现汽车电子系统提出的性能要求。
图1表明，提高集成度能够在硅片级上产生降低成本的作用。找到最佳点使成本最小化是与系统设计人员共同工作的半导体设计人员所面临的挑战。在某些场合，如果超越现有技术的能力范围而追求集成度的提高实际上反而会导致成本上升。导致这种成本的上涨的因素包括硅片成品率的下降以及封装成本和测试成本的增加，在某些场合则是所有这些因素综合作用的结果。因此，过度集成的后果就是使成本迅速增加。
半导体技术的集成能够把成本持续降低到某一水平。对于一个制造商而言，如果技术和集成度合拍，就会出现一个最佳的操作点。这个点可能非常难以预测，所以，对于许多应用来说，选择集成度稍低一些的设计方案可以被证明是一种安全稳妥的途径。
另一个微妙的成本因素是因期望值过高的集成目标与当今的技术水平不匹配所造成的产品面市时间延迟。在最坏的情况下，这种延迟往往有可能导致某一市场机会的大门关闭。随着时间的推移，半导体工艺性能的提高以及新型设计方法的运用最终将使集成度更上一层楼，并使成本得到进一步的降低。汽车对电子技术和产品的接受度已逐渐提高，但总是遵循着一种保守的策略。
设计方法、仿真和建模技术的飞速进步将缩短新型设计获得成功所需的时间并提高今后逼近最佳点的能力。然而，某些功能（比如大功率转换）的最佳集成方案仍将是采用分立半导体、功率IC和具有用于提供更为复杂的功能和更高的电流性能的分离芯片的电源模块，或采用对分立半导体元件稍做改动的所谓"小规模集成"法。在电源应用中，由封装的改进和封装级集成所带来的种种进步具有进一步提高集成度的潜力。
42V电源系统
电子产品不断成功地融入汽车已经引发了车载能源危机。因此，汽车制造商及其电子系统供应商正在研究面向未来汽车的更高电压的电源和更高的电压标准。预计从如今的标称14V充电系统向42V系统的过渡将对集成产生更进一步的影响。没有更高的电压，汽车制造商在车辆中添置更多电子产品的能力就会受到限制。向更高电压标准的过渡将建立一条发展汽车电子的新途径，但同时也要求半导体制造商拥有发展方向一致的技术规划。
在上一个10年的初期曾达为60V（或更高）的功率半导体额定电压已在其末期降至40V（某些产品甚至更低）。建议采用的42V标准将限制电压的最大值（和最小值），但将仍需提高直接在42V总线两端使用的任何半导体的额定电压。
如图2所示，对集成的主要影响之一是半导体的供电电压。集成度最高的半导体 微控制器、微处理器和数字信号处理器 用方框C来表示。过去，它们的供电电压是5(
0.25V)，随着其几何尺寸的日益缩小，它们的额定电压还将进一步下降（比如降到3.3V）。
方框A是一个功率半导体开关，比如功率MOSFET、智能功率IC或瞬变抑制器。这些产品的额定电压至少为60V，并利用推荐的规范将总线上的最大电压限制为58V。但可能性更大的是采用一个80V（或更高）的额定电压。
方框B是一个半导体，这实现了一种从42V总线向更低电压的电路（包括照明灯、MCU、MPU或DSP）的过渡。如果采用的是一种分散型途径（以利用当初为14V系统而设计的现有产品），那么这些过渡电路的数量将很多。
汽车制造商将在进行试验的前几年中要求所选系统采用42V电源。第一批方案可能会采用将14V系统中的电压提升至42V的升压型变换器。在这种场合，集成将继续出现在14V系统的其余部分。但是，当实现了一个全42V电源时，DC-DC变换器中的集成度将允许车辆其余部分中的电子产品的集成度继续提高。
(Charley 译)
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