Tendances de l'électronique automobile en 2021 et à quoi s'attendre à l'avenir

CES 2021 nous a apporté une multitude de gadgets futuristes pour véhicules et de concepts de véhicules intéressants, et le prochain salon CES 2022 ne risque pas de décevoir. L'électronique de ces véhicules reflète les tendances plus larges de l'électronique automobile que les constructeurs, les OEM, les concepteurs d'électronique aftermarket et les consommateurs ne peuvent ignorer. Les PCB sont l'épine dorsale de l'électronique automobile, et la proportion des coûts électroniques occupe actuellement environ 40 % du coût d'une nouvelle voiture. Ce chiffre devrait atteindre 50 % d'ici 2030, juste au moment où les nouvelles automobiles destinées aux consommateurs devraient être partiellement ou entièrement autonomes. Si vous aviez regardé sous le capot d'une Chevy des années 1950, il aurait été difficile d'imaginer que l'industrie automobile ait pu aller aussi loin.

Il ne s'agit pas seulement du nombre de composants électroniques qui devrait continuer à augmenter, mais aussi de la complexité de ces systèmes, tant en termes de matériel que de logiciels embarqués. Sous ces statistiques se cachent plusieurs tendances de l'électronique automobile qui vont stimuler les besoins en composants pour les OEM et les concepteurs aftermarket. Examinons comment ces tendances influencent le paysage des systèmes électroniques pour les automobiles nouvelles et futures.

Principales tendances de l'électronique automobile

La tendance la plus marquante que tout le monde connaît est l'actuelle pénurie de puces automobiles, qui a malheureusement débordé sur à peu près tous les autres domaines de l'industrie électronique. L'électronique automobile couvre de multiples domaines d'application, allant de l'alimentation à la détection et aux communications sans fil.

Gestion de l'énergie pour les véhicules électriques

Alors que l'infrastructure dans les pays économiquement avancés change, et que de nouveaux systèmes de batteries sont développés, nous pouvons continuer à nous attendre à des véhicules électriques avec une autonomie plus longue et des temps de charge plus rapides. Tout cela repose sur des systèmes de gestion de l'énergie plus avancés, qui dépendent d'une gamme de composants fondamentaux. Ces composants ne sont pas nécessairement très intégrés comme des SoC simplement parce qu'ils doivent gérer beaucoup de puissance, mais les systèmes à haute puissance peuvent encore devoir fonctionner avec des composants discrets sur des modules dédiés.

Certains des principaux systèmes d'alimentation apparaissant dans les véhicules électriques incluent :

• BMS sans fil pour gérer la distribution de charge dans les packs de batteries des VE, ainsi que pour surveiller les batteries et communiquer les données aux unités de contrôle.

• Émergence des technologies V2G et de la charge bidirectionnelle dans les véhicules électriques aux stations de charge.

• Utilisation de semi-conducteurs plus avancés avec une température de fonctionnement élevée et une haute conductivité thermique pour les MOSFETs de puissance.

Certains composants typiques qui devront être utilisés dans ces systèmes de gestion de l'énergie incluent une gamme de composants pour les boucles de détection et de contrôle, tels que les amplificateurs de mesure de courant. Comme les véhicules électriques fonctionnent avec des packs de batteries à haute tension, les composants pour la protection ESD sont également essentiels pour protéger les circuits. Des circuits intégrés de gestion de l'énergie avec plusieurs régulateurs (voir le MC33PF8200A0ES de NXP ci-dessous) sont utilisés pour contrôler ces systèmes, ainsi que des processeurs qualifiés pour l'automobile et une suite d'ASICs.

Le processeur d'application MC33PF8200A0ES de NXP fournit une solution de gestion de l'énergie intégrée pour les automobiles.

Concernant les FET de puissance qui doivent fonctionner à haute puissance pour la gestion de la charge/décharge, SiC et GaN-SiC sont des plateformes matérielles idéales pour ces composants de commutation. En particulier, le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite indirecte (bande interdite de 3,3 eV) qui offre de faibles pertes lors de la conversion de puissance à une fréquence de commutation relativement basse. Il possède également une conductivité thermique élevée par rapport au Si, ce qui en fait un matériel idéal pour les tâches de conversion de puissance à haute puissance dans les véhicules électriques. Bien que ces composants aient été initialement développés pour cibler les applications de puissance RF, comme dans les nouvelles infrastructures mobiles, ils sont tout aussi utiles dans les applications de puissance pour les véhicules électriques. En fait, le premier FET GaN qualifié pour l'automobile avec un pilote intégré a été annoncé l'année dernière, et d'autres entreprises ont emboîté le pas avec leurs propres composants.

Réseautage dans le véhicule et infrastructure intelligente

Les nouvelles voitures traitent plus de données que jamais auparavant, et la quantité de données qu'elles utilisent ne fera qu'augmenter. Le réseautage dans le véhicule dans les automobiles grand public est actuellement inférieur à 1 Gbps sur Ethernet, mais l'Ethernet Gigabit dans le véhicule et les dispositifs connectés sans fil à l'intérieur du véhicule changeront la manière dont les données sont collectées et traitées par les véhicules, ainsi que l'expérience du conducteur. Le réseautage dans le véhicule et le réseautage d'infrastructure intelligente représentent tous deux d'énormes opportunités pour les nouvelles automobiles et sont considérés comme un nouveau marché en croissance par l'industrie automobile. Le réseautage dans le véhicule à lui seul est projeté de devenir un marché de 1,5 milliard de dollars d'ici 2026, ce qui sera facilité par une multitude de processeurs intégrés et de SoCs.

Le CC2541-Q1 de Texas Instruments est qualifié pour l'automobile et fait partie de la plateforme SimpliLink pour les produits IoT.

L'implémentation du sans-fil va au-delà de la connexion des conducteurs et des systèmes d'infodivertissement par Bluetooth. En plus des conceptions de BMS sans fil mentionnées ci-dessus, il existe une motivation pour implémenter des connexions sans fil dans d'autres domaines d'un véhicule. Les unités de contrôle électronique (ECU) doivent souvent être placées très près des capteurs et des actionneurs avec lesquels elles interagiront. Le résultat est un besoin d'ajouter un câblage supplémentaire pour chaque ECU ajouté à un nouveau véhicule. En conséquence, le faisceau de réseau dans une automobile moderne peut inclure des milliers de connexions et s'étendre sur des milliers de mètres de longueur. Remplacer les interfaces câblées par des connexions sans fil réduit le poids et la complexité du système, et cela suit le paradigme actuel trouvé dans les véhicules connectés.

Pour permettre des ADAS plus avancés, des véhicules autonomes et une gamme de nouveaux services provenant de l'intérieur et de l'extérieur d'un véhicule, les véhicules plus récents devront également se connecter entre eux, aux systèmes d'infrastructure intelligente, et même aux vélos et motos. Les normes sans fil actuelles basées sur le WLAN pour le véhicule-à-tout (V2X) sont basées sur l'IEEE 802.11p, tandis que d'autres capacités s'appuieront sur les services cellulaires 4G existants ou les services cellulaires 5G à venir. Les composants requis pour ces systèmes comprennent les suivants :

• 4G/4G LTE, et émetteurs-récepteurs 5G, modems et modules d'antenne

• ICs d'amplificateur de puissance RF pour les canaux Tx

• ICs émetteurs-récepteurs RF fonctionnant dans une gamme de fréquences (WiFi, DSRC, tuyaux bi-bande jusqu'à 5,9 GHz, etc.)

Jusqu'à récemment, il y avait un débat sur le fait que la norme 802.11p (connue sous le nom de communication à courte portée dédiée, ou DSRC) ou cellulaire deviendrait le protocole dominant pour le réseautage inter-véhicules. En octobre 2020, la FCC a réalloué le spectre de 5,85 à 5,895 GHz à une bande non licenciée. Le reste du spectre DSRC original a été alloué au C-V2X plus récent, qui se trouve être standardisé dans la Release 14 du 3GPP. Cela a effectivement mis fin au DSRC, laissant le C-V2X et les services activés par la 5G comme les technologies à venir pour les véhicules connectés et l'infrastructure intelligente.

Dites adieu à la 3G

Ma voiture actuelle peut agir comme un point d'accès WiFi et se connecter à mon service cellulaire via 4G LTE/5G (commercialisé comme services de voiture connectée), et la voiture peut ensuite se connecter à mes appareils via Bluetooth. Alors que la 5G continue de se déployer, les capacités de vos services cellulaires continueront d'être reflétées dans les nouveaux automobiles. Un service qui ne sera probablement pas disponible dans les automobiles plus récentes est les services de navigation et de sécurité basés sur la 3G.

Les télécoms sont programmés pour éteindre les services 3G que de nombreuses voitures utilisent pour la navigation, la détection de crash, la visualisation du trafic et les services spécialisés comme BMW Assist et OnStar. À certains égards, c'est juste une répétition du fiasco de l'arrêt de la 2G il y a une décennie. Certains opérateurs sont mieux équipés pour gérer la transition vers de nouvelles technologies que d'autres, mais les constructeurs automobiles ont été laxistes dans l'information des conducteurs lorsque leurs services de voiture connectée seront arrêtés. Pour les voitures plus récentes, attendez-vous à voir un passage continu vers des technologies sans fil plus récentes pour permettre une expérience utilisateur de pointe.

Le système OnStar est juste l'un des services activés par la 3G qui va bientôt disparaître.

Capteurs pour ADAS intelligents

Certains experts disent qu'il faudra environ une décennie avant que les consommateurs puissent acheter une voiture autonome. Il y a de nombreuses raisons à cela, qui tournent largement autour du développement d'un ensemble d'algorithmes avancés pour gouverner le contrôle et la prise de décision. Cependant, il existe d'autres défis qui doivent être résolus au niveau matériel. Puis il y a les défis réglementaires et l'infrastructure nécessaire pour soutenir les véhicules autonomes. Ces défis existent à la fois à l'intérieur du véhicule, à l'extérieur du véhicule et en relation avec d'autres voitures conduites par des humains.

Le paysage actuel des capteurs pour ADAS implique une combinaison d'ultrasons, de radar et de caméras, qui doivent tous se connecter à une ECU. Le Lidar peut également devenir courant dans les réseaux de capteurs ADAS car il permet une cartographie de profondeur qui n'est pas possible avec les images de caméra. Le Lidar est intéressant car il n'est pas limité à l'utilisation dans les automobiles, la technologie étant utile pour la détection et l'imagerie dans les villes intelligentes en général. Même si le lidar n'était pas le principal sujet de conversation ces dernières années, les entreprises continuent de le pousser comme partie d'une solution avancée pour les systèmes ADAS intelligents car il fournit une imagerie et une cartographie à haute résolution pour soutenir les systèmes de radar et de vision dans les nouveaux véhicules.

Les composants requis pour les capteurs ADAS vont au-delà des capteurs eux-mêmes et incluent les suivants :

• Transceivers radar et SoCs (24 GHz et 77 GHz)

• Composants de système Lidar, incluant des diodes laser pulsées

• ADC multicanal et processeurs embarqués pour la fusion de capteurs

• Composants pour caméras personnalisées, incluant des modules de capteurs CCD/CMOS

Certains capteurs et leurs composants de support peuvent avoir besoin de communiquer entre eux via des interfaces numériques standard (I2C, SPI, CANBus, etc.), tandis que les capteurs analogiques peuvent utiliser une interface standard 0/5 V/4-20 mA (par exemple, capteurs environnementaux).

Puissance de traitement

Les voitures actuelles contiennent quelque part plus de 100 ECU, et ce nombre n'est attendu qu'à augmenter. À mesure que la quantité de données recueillies et traitées dans les automobiles augmente, les ECU et autres modules dans le système nécessiteront plus de puissance de traitement sous forme de MCU et FPGA de qualité automobile. La taille exacte, la vitesse et l'emplacement de ces composants restent encore une question ouverte. Étant donné la tendance à l'intégration observée sur le marché des CI spécialisés, je m'attendrais à ce que de nombreux fabricants commencent à offrir et/ou à commercialiser des SoC spécifiques à l'automobile qui intègrent un MCU.

La gamme de services sans fil, de systèmes de gestion de l'énergie et de puissance de traitement requise pour les nouveaux véhicules devrait révéler le paysage électronique complexe dans les nouveaux véhicules. Il est impossible de suivre toutes les tendances de l'électronique automobile, mais les concepteurs qui doivent sélectionner des composants pour ces systèmes peuvent obtenir une vue complète de la chaîne d'approvisionnement avec un moteur de recherche électronique puissant. Les fabricants de puces sont susceptibles de répondre avec des SoC spécialisés, similaires à ceux pour les produits IoT et mobiles, et vous pouvez trouver ces composants spécialisés et d'autres pour les nouveaux véhicules avec le bon moteur de recherche.

Si vous développez de nouvelles solutions pour l'industrie automobile, votre premier point de départ pour chercher des composants est un moteur de recherche électronique puissant. Octopart offre une solution complète pour la gestion de la chaîne d'approvisionnement et la sélection de composants, incluant des fonctionnalités de filtration avancées pour vous aider à sélectionner exactement les composants dont vous avez besoin. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour commencer votre recherche des composants nécessaires.

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