Тенденции автомобильной электроники в 2021 году и что ожидать в будущем

CES 2021 принес нам множество футуристических гаджетов для автомобилей и интересные концептуальные транспортные средства, и предстоящее шоу CES 2022, вероятно, не разочарует. Электроника в этих автомобилях отражает более широкие тенденции в автомобильной электронике, которые не могут быть игнорированы производителями автомобилей, OEM-производителями, дизайнерами послепродажной электроники и потребителями. Печатные платы являются основой автомобильной электроники, и доля затрат на электронику в настоящее время составляет ~40% от стоимости нового автомобиля. Ожидается, что к 2030 году этот показатель достигнет 50%, как раз в тот момент, когда новые автомобили для потребителей будут частично или полностью автономными. Если бы вы заглянули под капот Chevy 1950-х годов, было бы трудно представить, что автомобильная промышленность зашла так далеко.

Речь идет не только о количестве электронных компонентов, которое, как ожидается, будет продолжать расти, но и о сложности этих систем, как в плане аппаратного обеспечения, так и встроенного программного обеспечения. За этими статистическими данными стоят несколько тенденций в автомобильной электронике, которые будут определять потребности в компонентах для OEM-производителей и дизайнеров послепродажного оборудования. Давайте посмотрим, как эти тенденции влияют на ландшафт в системах электроники для новых и будущих автомобилей.

Основные тенденции в автомобильной электронике

Самая заметная тенденция, с которой все знакомы, это текущий дефицит автомобильных чипов, который, к сожалению, распространился практически на все другие области электронной промышленности. Автомобильная электроника охватывает множество областей применения, от энергопитания до датчиков и беспроводной связи.

Управление энергопотреблением для электромобилей

По мере изменения инфраструктуры в экономически развитых странах и разработки новых систем аккумуляторов мы можем ожидать появления электромобилей с большей дальностью хода и более быстрой зарядкой. Все это зависит от более совершенных систем управления энергопотреблением, которые опираются на ряд основных компонентов. Эти компоненты не обязательно являются высокоинтегрированными, как SoC, поскольку им необходимо управлять большим количеством энергии, но системы высокой мощности все же могут требовать работы с дискретными компонентами на специализированных модулях.

Некоторые из основных систем питания, появляющихся в электромобилях, включают:

• Беспроводные системы BMS для управления распределением заряда в аккумуляторных батареях EV, а также для мониторинга батарей и передачи данных обратно в блоки управления.

• Появление технологий V2G и двунаправленной зарядки в электромобилях на зарядных станциях.

• Использование более совершенных полупроводников с высокой рабочей температурой и высокой теплопроводностью для силовых MOSFET.

Некоторые типичные компоненты, которые необходимо использовать в этих системах управления питанием, включают в себя ряд компонентов для контура обнаружения и управления, таких как усилители тока обнаружения. Поскольку электромобили работают с батарейными блоками на высоком напряжении, компоненты для защиты от электростатических разрядов также являются необходимыми для защиты схем. Интегрированные микросхемы управления питанием с несколькими регуляторами (см. MC33PF8200A0ES от NXP ниже) используются для управления этими системами, а также автомобильные процессоры и набор ASIC.

Процессор приложений MC33PF8200A0ES от NXP обеспечивает интегрированное решение управления питанием для автомобилей.

Что касается силовых FET, которые должны работать при высокой мощности для управления зарядкой/разрядкой, SiC и GaN-SiC являются идеальными материальными платформами для этих коммутационных компонентов. В частности, SiC является полупроводником с широкой косвенной шириной запрещенной зоны (3,3 эВ ширина запрещенной зоны), что обеспечивает низкие потери при преобразовании мощности при относительно низкой частоте коммутации. Он также имеет высокую теплопроводность по сравнению с Si, что делает его идеальным материалом для задач высокого преобразования мощности в электромобилях. Хотя эти компоненты изначально были разработаны для целей RF мощности, таких как в новой мобильной инфраструктуре, они также полезны в приложениях мощности для электромобилей. Фактически, первый автомобильный GaN FET с интегрированным драйвером был анонсирован в прошлом году, и другие компании последовали их примеру со своими компонентами.

Сетевое взаимодействие в автомобиле и умная инфраструктура

Новые автомобили обрабатывают больше данных, чем когда-либо прежде, и объем данных, которые они используют, будет только увеличиваться. Сетевое взаимодействие в потребительских автомобилях в настоящее время ниже 1 Гбит/с по Ethernet, но гигабитный Ethernet в автомобиле и беспроводные устройства внутри автомобиля изменят способ сбора и обработки данных автомобилями, а также опыт водителя. Сетевое взаимодействие в автомобиле и умная инфраструктура являются огромными возможностями для новых автомобилей и рассматриваются как новый рынок роста автомобильной промышленностью. Только сетевое взаимодействие в автомобиле, как прогнозируется, станет рынком на сумму 1,5 миллиарда долларов к 2026 году, что будет способствовать использованию множества интегрированных процессоров и SoC.

CC2541-Q1 от Texas Instruments имеет автомобильную квалификацию и является частью платформы SimpliLink для продуктов IoT.

Внедрение беспроводных технологий выходит за рамки соединения систем управления и информационно-развлекательных систем с Bluetooth. В дополнение к беспроводным конструкциям BMS, упомянутым выше, существует мотивация к внедрению беспроводных соединений и в других областях автомобиля. ЭБУ часто необходимо размещать очень близко к датчикам и исполнительным механизмам, с которыми они будут взаимодействовать. В результате возникает необходимость добавления дополнительной проводки для каждого ЭБУ, добавленного в новый автомобиль. Таким образом, сетевая проводка в современном автомобиле может включать тысячи соединений и простирается на тысячи метров в длину. Замена проводных интерфейсов на беспроводные соединения снижает вес и сложность системы, и это соответствует текущей парадигме, найденной в подключенных автомобилях.

Для включения более продвинутых ADAS, автономных транспортных средств и ряда новых услуг, исходящих изнутри и снаружи автомобиля, новые автомобили также должны будут соединяться друг с другом, с умными системами инфраструктуры, а также с велосипедами и мотоциклами. Современные стандарты беспроводной связи транспортного средства с чем-либо (V2X) основаны на WLAN и IEEE 802.11p, в то время как другие возможности будут полагаться на существующие 4G или предстоящие 5G сотовые услуги. Компоненты, необходимые для этих систем, включают следующее:

• 4G/4G LTE и 5G приемопередатчики, модемы и антенные модули

• ИС усилителя мощности РЧ для Tx каналов

• ИС приемопередатчиков РЧ, работающих в диапазоне частот (WiFi, DSRC, двухдиапазонные системы до 5.9 ГГц и т.д.)

До недавнего времени существовали споры о том, станет ли стандарт 802.11p (известный как специализированная краткосрочная связь, или DSRC) или сотовая связь доминирующим протоколом для межавтомобильной сети. В октябре 2020 года FCC перераспределила спектр 5.85 до 5.895 ГГц в неразрешенную полосу. Остальная часть оригинального спектра DSRC была выделена для более нового C-V2X, который как раз стандартизирован в 3GPP Release 14. Это фактически положило конец DSRC, оставив C-V2X и услуги на основе 5G как предстоящие технологии для подключенных автомобилей и умной инфраструктуры.

Прощай, 3G

Мой текущий автомобиль может действовать как точка доступа Wi-Fi и подключаться к моей сотовой службе через 4G LTE/5G (рекламируется как услуги Connected Car), а затем автомобиль может соединяться с моими устройствами через Bluetooth. По мере развития 5G возможности ваших сотовых услуг будут продолжать отражаться в новых автомобилях. Одна из услуг, которая, вероятно, не будет доступна в новых автомобилях, - это навигация и услуги безопасности на основе 3G.

Телекоммуникационные компании планируют отключить 3G услуги, которые многие автомобили используют для навигации, обнаружения аварий, визуализации движения и специализированных услуг, таких как BMW Assist и OnStar. В некотором смысле это просто повторение дебакла с отключением 2G десятилетием ранее. Некоторые операторы лучше подготовлены к переходу на новые технологии, чем другие, но автопроизводители были небрежны в информировании водителей о том, когда их услуги подключенного автомобиля будут отключены. Для новых автомобилей следует ожидать продолжения перехода на более новые беспроводные технологии для обеспечения передового пользовательского опыта.

Система OnStar - это всего лишь одна из услуг, работающих на 3G, которая скоро прекратит свое существование.

Датчики для умных систем ADAS

Некоторые эксперты говорят, что примерно через десятилетие потребители смогут купить автомобиль с автономным управлением. Существует множество причин этого, которые в основном связаны с разработкой комплекса передовых алгоритмов для управления и принятия решений. Однако существуют и другие проблемы, которые необходимо решить на уровне аппаратного обеспечения. Затем есть регуляторные проблемы и инфраструктура, необходимая для поддержки автономных транспортных средств. Эти проблемы существуют как внутри транспортного средства, так и снаружи, а также в отношении других автомобилей, управляемых людьми.

Текущий ландшафт датчиков для ADAS включает в себя некоторую комбинацию ультразвуковых датчиков, радаров и камер, все из которых должны быть подключены к ECU. Лидар также может стать обычным явлением в сетях датчиков ADAS, поскольку он позволяет создавать карты глубины, что невозможно с помощью изображений с камеры. Лидар интересен тем, что его использование не ограничивается автомобилями, технология полезна для обнаружения и визуализации в умных городах в целом. Хотя лидар и не был основной темой обсуждения в прошлые годы, компании все еще продвигают его как часть передового решения для умных систем ADAS, поскольку он обеспечивает высокое разрешение изображений и картографирование для поддержки радарных и визуальных систем в новых автомобилях.

Компоненты, необходимые для датчиков ADAS, выходят за рамки самих датчиков и включают в себя следующее:

• Радиопередатчики и SoC (24 ГГц и 77 ГГц)

• Компоненты системы лидара, включая импульсные лазерные диоды

• Многоканальные АЦП и встроенные процессоры для слияния данных с датчиков

• Компоненты для пользовательских камер, включая модули датчиков CCD/CMOS

Некоторые датчики и их вспомогательные компоненты могут нуждаться в коммуникации друг с другом по стандартным цифровым интерфейсам (I2C, SPI, CANBus и т.д.), в то время как аналоговые датчики могут использовать стандартный интерфейс 0/5 В/4-20 мА (например, датчики окружающей среды).

Вычислительная мощность

Современные автомобили содержат более 100 ECU, и это число, как ожидается, будет только расти. По мере увеличения объема собираемых и обрабатываемых данных в автомобилях, ECU и другие модули в системе потребуют больше вычислительной мощности в виде MCU и автомобильных FPGA. Точный размер, скорость и расположение этих компонентов все еще остаются открытыми вопросами. Учитывая тенденцию к интеграции, наблюдаемую на рынке специализированных ИС, я бы ожидал, что многие производители начнут предлагать и/или рекламировать автомобильные специфические SoC, интегрирующие MCU.

Спектр беспроводных услуг, систем управления питанием и вычислительной мощности, необходимых для новых автомобилей, должен раскрыть сложный электронный ландшафт в новых автомобилях. Невозможно поспевать за всеми тенденциями в автомобильной электронике, но дизайнеры, которым необходимо выбирать компоненты для этих систем, могут получить полное представление о цепочке поставок с помощью мощного поисковика электроники. Производители микросхем, скорее всего, ответят специализированными SoC, аналогичными тем, что используются для IoT и мобильных продуктов, и вы можете найти эти и другие специализированные компоненты для новых автомобилей с помощью правильного поисковика.

Если вы разрабатываете новые решения для автомобильной промышленности, вашим первым шагом в поиске компонентов должен стать мощный поисковик электроники. Octopart предлагает полное решение для управления цепочкой поставок и выбора компонентов, включая продвинутые функции фильтрации, чтобы помочь вам выбрать именно те компоненты, которые вам нужны. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы начать поиск необходимых вам компонентов.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.