Tendenze dell'elettronica automobilistica nel 2021 e cosa aspettarsi in futuro

CES 2021 ci ha portato una serie di gadget futuristici per veicoli e interessanti concept di veicoli, e l'imminente mostra CES 2022 non sembra destinata a deludere. L'elettronica in questi veicoli riflette le tendenze più ampie dell'elettronica automobilistica che non possono essere ignorate dai costruttori di automobili, OEM, progettisti di elettronica aftermarket e consumatori. Le PCB sono la colonna vertebrale dell'elettronica automobilistica, e la proporzione dei costi dell'elettronica occupa attualmente circa il 40% del costo di una nuova auto. Si prevede che questa percentuale raggiungerà il 50% entro il 2030, proprio nel momento in cui si prevede che le nuove automobili per i consumatori saranno parzialmente o completamente autonome. Se si guardasse sotto il cofano di una Chevy degli anni '50, sarebbe difficile immaginare che l'industria automobilistica sia arrivata così lontano. Non è solo il numero di componenti elettronici che si prevede continuerà ad aumentare, ma anche la complessità di questi sistemi, sia in termini di hardware che di software incorporato. Dietro queste statistiche ci sono diverse tendenze dell'elettronica automobilistica che guideranno le esigenze dei componenti per OEM e progettisti aftermarket. Vediamo come queste tendenze stanno influenzando il panorama nei sistemi elettronici per le automobili nuove e future.

Principali tendenze dell'elettronica automobilistica

La tendenza più prominente che tutti conoscono è la corrente carenza di chip automobilistici, che purtroppo si è estesa praticamente a ogni altro settore dell'industria elettronica. L'elettronica automobilistica copre molteplici aree di applicazione, che vanno dalla potenza al rilevamento e alle comunicazioni wireless.

Gestione dell'energia per veicoli elettrici

Man mano che l'infrastruttura nei paesi economicamente avanzati cambia, e con lo sviluppo di nuovi sistemi di batterie, possiamo continuare ad aspettarci veicoli elettrici con autonomia maggiore e tempi di ricarica più rapidi. Tutto ciò si basa su sistemi di gestione dell'energia più avanzati, che si affidano a una gamma di componenti fondamentali. Questi componenti non sono necessariamente altamente integrati come SoC semplicemente perché devono gestire molta potenza, ma i sistemi ad alta potenza possono comunque dover operare con componenti discreti su moduli dedicati.

Alcuni dei principali sistemi di alimentazione che appaiono nei veicoli elettrici includono:

• BMS wireless per la gestione della distribuzione della carica nei pacchi batteria degli EV, così come il monitoraggio delle batterie e la comunicazione dei dati alle unità di controllo.

• Emergenza delle tecnologie V2G e della ricarica bidirezionale nei veicoli elettrici alle stazioni di ricarica.

• Uso di semiconduttori più avanzati con alta temperatura di esercizio e alta conducibilità termica per MOSFET di potenza.

Alcuni componenti tipici che dovranno essere utilizzati in questi sistemi di gestione dell'energia includono una gamma di componenti per circuiti di rilevamento e controllo, come gli amplificatori di corrente. Poiché i veicoli elettrici (EV) operano con pacchi batteria ad alta tensione, sono essenziali anche componenti per la protezione da scariche elettrostatiche (ESD) per proteggere i circuiti. Vengono utilizzati IC di gestione dell'energia integrati con multipli regolatori (vedi il MC33PF8200A0ES di NXP qui sotto) per controllare questi sistemi, così come processori qualificati per l'automotive e una suite di ASIC.

Il processore per applicazioni MC33PF8200A0ES di NXP fornisce una soluzione integrata di gestione dell'energia per automobili.

Per quanto riguarda i FET di potenza che devono funzionare ad alta potenza per la gestione della carica/scarica, SiC e GaN-SiC sono piattaforme materiche ideali per questi componenti di commutazione. In particolare, il SiC è un semiconduttore a banda proibita indiretta ampia (bandgap di 3.3 eV) che offre basse perdite durante la conversione di potenza a frequenze di commutazione relativamente basse. Ha anche una conduttività termica elevata rispetto al Si, rendendolo un materiale ideale per compiti di conversione di potenza ad alta potenza nei veicoli elettrici. Sebbene questi componenti siano stati originariamente sviluppati per applicazioni di potenza RF, come nelle nuove infrastrutture mobili, sono altrettanto utili nelle applicazioni di potenza per veicoli elettrici. Infatti, il primo GaN FET qualificato per l'automotive con driver integrato è stato annunciato l'anno scorso, e altre aziende hanno seguito l'esempio con i propri componenti.

Networking per veicoli e infrastrutture intelligenti

Le nuove auto stanno elaborando più dati che mai e la quantità di dati che utilizzano aumenterà solo. Il networking nei veicoli per le automobili consumer è attualmente al di sotto di 1 Gbps su Ethernet, ma l'Ethernet Gigabit nei veicoli e i dispositivi connessi senza fili all'interno del veicolo cambieranno il modo in cui i dati vengono raccolti e gestiti dai veicoli, così come l'esperienza di guida. Il networking nei veicoli e il networking per infrastrutture intelligenti rappresentano entrambi enormi opportunità per le nuove automobili e sono visti come un nuovo mercato in crescita dall'industria automobilistica. Solo il networking nei veicoli è proiettato a diventare un mercato da 1,5 miliardi di dollari entro il 2026, che sarà facilitato da una serie di processori integrati e SoC.

Il CC2541-Q1 di Texas Instruments è qualificato per l'automotive e fa parte della piattaforma SimpliLink per i prodotti IoT.

Implementare la connettività wireless va oltre il collegamento di sistemi di guida e infotainment tramite Bluetooth. Oltre ai design BMS wireless menzionati sopra, c'è la motivazione a implementare connessioni wireless in altre aree di un veicolo. Le unità di controllo elettronico (ECU) spesso devono essere posizionate molto vicino ai sensori e agli attuatori con cui interagiranno. Ne risulta la necessità di aggiungere cablaggi aggiuntivi per ogni ECU aggiunta a un nuovo veicolo. Di conseguenza, la rete di cablaggi in un'automobile moderna può includere migliaia di connessioni e estendersi per migliaia di metri in lunghezza. Sostituire le interfacce cablate con connessioni wireless riduce il peso e la complessità del sistema, e segue il paradigma attuale trovato nei veicoli connessi.

Per abilitare sistemi ADAS più avanzati, veicoli autonomi e una gamma di nuovi servizi originati sia all'interno che all'esterno di un veicolo, i veicoli più recenti dovranno anche connettersi tra loro, a sistemi di infrastruttura intelligente e persino a biciclette e motociclette. Gli attuali standard wireless veicolo-tutto (V2X) basati su WLAN si fondano sullo standard IEEE 802.11p, mentre altre capacità si affideranno ai servizi cellulari 4G esistenti o ai futuri servizi 5G. I componenti richiesti per questi sistemi includono i seguenti:

• 4G/4G LTE, e moduli trasmettitori, modem e moduli antenna 5G

• IC amplificatori di potenza RF per canali Tx

• IC trasmettitori RF operanti in una gamma di frequenze (WiFi, DSRC, canali a doppia banda fino a 5.9 GHz, ecc.)

Fino a poco tempo fa, c'era un certo dibattito su se lo standard 802.11p (noto come comunicazione a corto raggio dedicata, o DSRC) o il cellulare sarebbe diventato il protocollo dominante per la rete tra veicoli. A ottobre 2020, la FCC ha riallocato lo spettro da 5.85 a 5.895 GHz a una banda non licenziata. Il resto dello spettro DSRC originale è stato allocato al più recente C-V2X, che per caso è standardizzato nel 3GPP Release 14. Questo ha effettivamente messo fine al DSRC, lasciando il C-V2X e i servizi abilitati al 5G come le tecnologie emergenti per i veicoli connessi e l'infrastruttura intelligente.

Diciamo Addio al 3G

La mia auto attuale può agire come un hotspot WiFi e connettersi al mio servizio cellulare tramite 4G LTE/5G (commercializzato come servizi Connected Car), e l'auto può poi connettersi ai miei dispositivi tramite Bluetooth. Man mano che il 5G continua a essere implementato, le capacità dei vostri servizi cellulari continueranno a essere riflesse nelle nuove automobili. Un servizio che probabilmente non sarà disponibile nelle automobili più nuove è la navigazione e i servizi di sicurezza basati su 3G.

Le telecomunicazioni sono programmate per disattivare i servizi 3G che molte auto utilizzano per la navigazione, il rilevamento degli incidenti, la visualizzazione del traffico e servizi speciali come BMW Assist e OnStar. In qualche modo, questo è solo una ripetizione del disastro dello spegnimento del 2G di un decennio fa. Alcuni operatori sono meglio attrezzati per gestire la transizione verso nuove tecnologie rispetto ad altri, ma le case automobilistiche sono state negligenti nell'informare gli autisti quando i loro servizi di auto connessa si interromperanno. Per le auto più nuove, ci si può aspettare di vedere un continuo passaggio a tecnologie wireless più recenti per abilitare un'esperienza utente all'avanguardia.

Il sistema OnStar è solo uno dei servizi abilitati 3G che presto tramoneranno.

Sensori per ADAS intelligenti

Alcuni esperti dicono che passerà circa un decennio prima che i consumatori possano acquistare un'auto a guida autonoma. Ci sono molte ragioni per questo, che ruotano principalmente attorno allo sviluppo di una suite di algoritmi avanzati per il controllo e la presa di decisioni. Tuttavia, ci sono altre sfide che devono essere risolte a livello hardware. Poi ci sono le sfide normative e l'infrastruttura necessaria per supportare i veicoli autonomi. Queste sfide esistono sia all'interno del veicolo, sia all'esterno del veicolo, sia in relazione ad altre auto guidate da esseri umani.

Il panorama attuale dei sensori per ADAS coinvolge una combinazione di ultrasuoni, radar e telecamere, tutti i quali devono connettersi a un ECU. Il Lidar potrebbe diventare comune nelle reti di sensori ADAS poiché consente la mappatura della profondità che non è possibile con le immagini delle telecamere. Il Lidar è interessante poiché non è limitato all'uso nelle automobili, con la tecnologia che risulta utile per il rilevamento e l'immagine nelle smart city in generale. Anche se il Lidar non è stato il principale argomento di conversazione negli anni passati, le aziende lo stanno ancora spingendo come parte di una soluzione avanzata per i sistemi ADAS intelligenti poiché fornisce imaging e mappatura ad alta risoluzione per supportare i sistemi radar e di visione nei nuovi veicoli.

I componenti richiesti per i sensori ADAS vanno oltre i sensori stessi e includono i seguenti:

• Trasmettitori radar e SoC (24 GHz e 77 GHz)

• Componenti del sistema Lidar, inclusi diodi laser pulsati

• ADC multicanale e processori embedded per la fusione dei sensori

• Componenti per telecamere personalizzate, inclusi moduli sensore CCD/CMOS

Alcuni sensori e i loro componenti di supporto potrebbero dover comunicare tra loro tramite interfacce digitali standard (I2C, SPI, CANBus, ecc.), mentre i sensori analogici possono utilizzare un'interfaccia standard 0/5 V/4-20 mA (ad es., sensori ambientali).

Potenza di elaborazione

Le auto attuali contengono più di 100 ECU, e si prevede che il numero aumenterà solo. Man mano che la quantità di dati raccolti ed elaborati nelle automobili aumenta, gli ECU e altri moduli nel sistema richiederanno più potenza di elaborazione sotto forma di MCU e FPGA di grado automotive. La dimensione, la velocità e la posizione esatte di questi componenti sono ancora una questione aperta. Data la tendenza all'integrazione vista nel mercato degli IC specializzati, mi aspetterei che molti produttori inizino a offrire e/o a commercializzare SoC specifici per l'automotive che integrano un MCU.

La gamma di servizi wireless, sistemi di gestione dell'energia e potenza di elaborazione richiesta per i nuovi veicoli dovrebbe rivelare il complesso panorama elettronico nei nuovi veicoli. È impossibile tenere il passo con tutte le tendenze dell'elettronica automobilistica, ma i progettisti che devono selezionare componenti per questi sistemi possono ottenere una visione completa della catena di fornitura con un potente motore di ricerca elettronico. I produttori di chip probabilmente risponderanno con SoC specializzati, simili a quelli per i prodotti IoT e mobili, e puoi trovare questi e altri componenti specializzati per i nuovi veicoli con il motore di ricerca giusto.

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