Xu hướng Điện tử Ô tô trong năm 2021 và Những gì có thể mong đợi trong Tương lai

CES 2021 đã mang đến cho chúng ta một loạt các thiết bị tiên tiến cho xe cộ và các phương tiện concept thú vị, và triển lãm CES 2022 sắp tới chắc chắn sẽ không làm chúng ta thất vọng. Các hệ thống điện tử trong những phương tiện này phản ánh xu hướng điện tử ô tô rộng lớn mà các nhà sản xuất ô tô, OEMs, nhà thiết kế điện tử sau thị trường và người tiêu dùng không thể bỏ qua. PCBs là xương sống của điện tử ô tô, và tỷ lệ chi phí điện tử hiện nay chiếm khoảng ~40% chi phí của một chiếc xe mới. Con số này dự kiến sẽ đạt 50% vào năm 2030, đúng vào thời điểm các xe hơi mới dành cho người tiêu dùng dự kiến sẽ một phần hoặc hoàn toàn tự động. Nếu bạn nhìn vào dưới nắp ca-pô của một chiếc Chevy thập niên 1950, sẽ khó mà tưởng tượng ngành công nghiệp ô tô đã tiến xa đến thế. Không chỉ số lượng các thành phần điện tử dự kiến sẽ tiếp tục tăng, mà còn là độ phức tạp của các hệ thống này, cả về phần cứng và phần mềm nhúng. Dưới những thống kê này là một số xu hướng điện tử ô tô sẽ thúc đẩy nhu cầu về thành phần cho OEMs và nhà thiết kế sau thị trường. Hãy xem xét cách những xu hướng này ảnh hưởng đến bối cảnh trong hệ thống điện tử cho các xe hơi mới và tương lai.

Xu Hướng Điện Tử Ô Tô Hàng Đầu

Xu hướng nổi bật nhất mà mọi người đều biết đến là tình trạng thiếu hụt chip ô tô hiện tại, điều này không may đã lan sang hầu như mọi lĩnh vực khác của ngành công nghiệp điện tử. Điện tử ô tô bao gồm nhiều lĩnh vực ứng dụng, từ nguồn điện đến cảm biến và truyền thông không dây.

Quản Lý Nguồn Điện cho Xe Điện

Khi cơ sở hạ tầng ở các quốc gia phát triển thay đổi, và khi các hệ thống pin mới được phát triển, chúng ta có thể tiếp tục kỳ vọng vào xe điện với phạm vi hoạt động xa hơn và thời gian sạc nhanh hơn. Tất cả điều này dựa vào các hệ thống quản lý nguồn điện tiên tiến hơn, dựa trên một loạt các thành phần cơ bản. Những thành phần này không nhất thiết phải được tích hợp cao như SoCs chỉ vì chúng cần xử lý nhiều nguồn điện, nhưng các hệ thống công suất cao vẫn có thể cần hoạt động với các thành phần rời rạc trên các mô-đun chuyên dụng.

Một số hệ thống nguồn chính xuất hiện trong xe điện bao gồm:

• Wireless BMS để quản lý phân phối sạc trong các gói pin EV, cũng như giám sát pin và truyền dữ liệu trở lại các đơn vị điều khiển.

• Sự xuất hiện của công nghệ V2G và sạc hai chiều trong xe điện tại các trạm sạc.

• Sử dụng các bán dẫn tiên tiến hơn với nhiệt độ hoạt động cao và dẫn nhiệt cao cho power MOSFETs.

Một số linh kiện điển hình cần được sử dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng bao gồm một loạt các linh kiện cho vòng cảm biến và điều khiển, như bộ khuếch đại cảm biến dòng điện. Vì xe điện (EV) hoạt động với bộ pin ở điện áp cao, các linh kiện bảo vệ ESD cũng rất cần thiết để bảo vệ mạch. Các IC quản lý năng lượng tích hợp với nhiều bộ điều chỉnh (xem MC33PF8200A0ES từ NXP dưới đây) đang được sử dụng để điều khiển các hệ thống này, cũng như các bộ xử lý đủ điều kiện cho ô tô và một bộ ASIC.

Bộ xử lý ứng dụng MC33PF8200A0ES từ NXP cung cấp một giải pháp quản lý năng lượng tích hợp cho ô tô.

Về các FET công suất cần hoạt động ở công suất cao cho quản lý sạc/xả, SiC và GaN-SiC là các nền tảng vật liệu lý tưởng cho các thành phần chuyển mạch này. Cụ thể, SiC là một bán dẫn băng thông gián tiếp rộng (băng thông 3.3 eV) cung cấp tổn thất thấp trong quá trình chuyển đổi năng lượng ở tần số chuyển mạch tương đối thấp. Nó cũng có độ dẫn nhiệt cao so với Si, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các nhiệm vụ chuyển đổi công suất cao trong xe điện. Mặc dù các thành phần này ban đầu được phát triển để nhắm mục tiêu ứng dụng công suất RF, như trong cơ sở hạ tầng di động mới, chúng cũng hữu ích trong các ứng dụng công suất cho xe điện. Thực tế, chiếc GaN FET đầu tiên đủ điều kiện cho ô tô với trình điều khiển tích hợp đã được công bố vào năm ngoái, và các công ty khác đã theo sát với các thành phần của riêng họ.

Mạng lưới trong xe và Cơ sở hạ tầng Thông minh

Xe mới đang xử lý nhiều dữ liệu hơn bao giờ hết, và lượng dữ liệu họ sử dụng chỉ sẽ tăng lên. Mạng lưới trong xe ở các ô tô tiêu dùng hiện tại dưới 1 Gbps qua Ethernet, nhưng Ethernet trong xe với tốc độ Gigabit và các thiết bị kết nối không dây trong xe sẽ thay đổi cách dữ liệu được thu thập và xử lý bởi xe, cũng như trải nghiệm của người lái. Mạng lưới trong xe và mạng lưới cơ sở hạ tầng thông minh đều là những cơ hội lớn cho các xe mới và được ngành công nghiệp ô tô xem là thị trường tăng trưởng mới. Riêng mạng lưới trong xe dự kiến sẽ trở thành thị trường trị giá 1.5 tỷ đô la vào năm 2026, sẽ được hỗ trợ bởi một loạt các bộ xử lý tích hợp và SoCs.

CC2541-Q1 từ Texas Instruments được chứng nhận cho ô tô và là một phần của nền tảng SimpliLink cho các sản phẩm IoT.

Việc triển khai kết nối không dây không chỉ giới hạn ở việc kết nối các thiết bị điều khiển và hệ thống giải trí với Bluetooth. Ngoài thiết kế BMS không dây như đã đề cập ở trên, còn có động lực để triển khai kết nối không dây trong các lĩnh vực khác của xe hơi. Các ECU thường cần được đặt rất gần với các cảm biến và bộ điều khiển mà chúng sẽ tương tác. Kết quả là cần phải thêm dây điện cho mỗi ECU được thêm vào một chiếc xe mới. Do đó, hệ thống dây mạng trong một chiếc xe hơi hiện đại có thể bao gồm hàng nghìn kết nối và kéo dài hàng nghìn mét. Thay thế giao diện có dây bằng kết nối không dây giảm trọng lượng và độ phức tạp của hệ thống, và điều này tuân theo mô hình hiện tại được tìm thấy trong các xe kết nối.

Để kích hoạt ADAS tiên tiến hơn, xe tự lái, và một loạt các dịch vụ mới xuất phát từ bên trong và bên ngoài xe, các xe mới cũng cần kết nối với nhau, hệ thống cơ sở hạ tầng thông minh, và thậm chí là xe đạp và xe máy. Các tiêu chuẩn không dây xe-cơ sở hạ tầng (V2X) hiện tại dựa trên WLAN dựa trên IEEE 802.11p, trong khi các khả năng khác sẽ dựa vào dịch vụ di động 4G hoặc 5G sắp tới. Các thành phần cần thiết cho các hệ thống này bao gồm:

• 4G/4G LTE, và mô-đun thu phát và modem 5G

• Mạch khuếch đại công suất RF cho kênh Tx

• Mạch tích hợp thu phát RF hoạt động trong một loạt tần số (WiFi, DSRC, ống đôi lên đến 5.9 GHz, v.v.)

Cho đến gần đây, vẫn có một số tranh cãi liệu tiêu chuẩn 802.11p (còn được biết đến là giao tiếp phạm vi ngắn chuyên dụng, hay DSRC) hay di động sẽ trở thành giao thức chủ đạo cho mạng lưới giữa các xe. Tính đến tháng 10 năm 2020, FCC đã tái phân bổ dải tần 5.85 đến 5.895 GHz cho băng tần không cấp phép. Phần còn lại của dải tần DSRC ban đầu được phân bổ cho C-V2X mới hơn, mà ngẫu nhiên được chuẩn hóa trong 3GPP Release 14. Điều này hiệu quả đã loại bỏ DSRC, để lại C-V2X và các dịch vụ được kích hoạt bởi 5G là công nghệ sắp tới cho các xe kết nối và cơ sở hạ tầng thông minh.

Nói lời tạm biệt với 3G

Chiếc xe hiện tại của tôi có thể hoạt động như một điểm phát WiFi và kết nối với dịch vụ di động của tôi qua 4G LTE/5G (được quảng cáo là dịch vụ Xe Kết Nối), và sau đó xe có thể kết nối với các thiết bị của tôi qua Bluetooth. Khi 5G tiếp tục được triển khai, khả năng của dịch vụ di động của bạn sẽ tiếp tục được phản ánh trong các xe hơi mới. Một dịch vụ có khả năng sẽ không có sẵn trong các xe hơi mới là dịch vụ dựa trên 3G cho dẫn đường và dịch vụ an toàn.

Các công ty viễn thông dự kiến sẽ tắt các dịch vụ 3G mà nhiều xe sử dụng cho dẫn đường, phát hiện va chạm, hiển thị giao thông, và các dịch vụ đặc biệt như BMW Assist và OnStar. Ở một số mức độ, đây chỉ là sự lặp lại của thảm họa tắt 2G từ một thập kỷ trước. Một số nhà mạng được trang bị tốt hơn để xử lý sự chuyển đổi sang công nghệ mới hơn so với những người khác, nhưng các công ty xe hơi đã lơ là trong việc thông báo cho tài xế khi dịch vụ xe kết nối của họ sẽ bị ngừng. Đối với các xe mới, hãy mong đợi sẽ thấy sự chuyển đổi liên tục sang công nghệ không dây mới hơn để kích hoạt trải nghiệm người dùng tiên tiến.

Hệ thống OnStar chỉ là một trong số các dịch vụ được kích hoạt bằng 3G sẽ sớm không còn được hỗ trợ nữa.

Cảm biến cho Hệ thống ADAS Thông minh

Một số chuyên gia cho rằng sẽ mất khoảng một thập kỷ nữa trước khi người tiêu dùng có thể mua được xe tự lái. Có nhiều lý do cho điều này, chủ yếu xoay quanh việc phát triển một bộ thuật toán tiên tiến để điều khiển và ra quyết định. Tuy nhiên, còn có những thách thức khác cần được giải quyết ở cấp độ phần cứng. Sau đó là những thách thức về quy định và cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ xe tự lái. Những thách thức này tồn tại cả bên trong xe, bên ngoài xe và liên quan đến các xe khác do con người điều khiển.

Bối cảnh cảm biến hiện tại cho ADAS bao gồm một số kết hợp của siêu âm, radar và camera, tất cả đều cần kết nối với một ECU. Lidar cũng có thể trở nên phổ biến trong mạng lưới cảm biến ADAS vì nó cho phép lập bản đồ độ sâu mà không thể thực hiện được với hình ảnh camera. Lidar thú vị vì nó không chỉ giới hạn trong việc sử dụng trong ô tô, công nghệ này cũng hữu ích cho việc cảm biến và hình ảnh trong các thành phố thông minh nói chung. Mặc dù lidar không phải là trọng tâm chính của cuộc trò chuyện trong những năm qua, các công ty vẫn đang thúc đẩy nó như một phần của giải pháp tiên tiến cho hệ thống ADAS thông minh vì nó cung cấp hình ảnh và bản đồ độ phân giải cao hơn để hỗ trợ hệ thống radar và hệ thống nhìn trong các phương tiện mới.

Các thành phần cần thiết cho cảm biến ADAS vượt ra ngoài chính các cảm biến và bao gồm những thành phần sau:

• Bộ thu phát radar và SoCs (24 GHz và 77 GHz)

• Thành phần hệ thống Lidar, bao gồm cả diode laser xung

• Các ADC đa kênh và bộ xử lý nhúng cho việc kết hợp cảm biến

• Thành phần cho camera tùy chỉnh, bao gồm các mô-đun cảm biến CCD/CMOS

Một số cảm biến và các thành phần hỗ trợ của chúng có thể cần giao tiếp với nhau qua các giao diện số chuẩn (I2C, SPI, CANBus, v.v.), trong khi cảm biến tương tự có thể sử dụng giao diện chuẩn 0/5 V/4-20 mA (ví dụ, cảm biến môi trường).

Sức Mạnh Xử Lý

Xe hơi hiện tại chứa khoảng hơn 100 ECU, và con số này chỉ dự kiến sẽ tăng lên. Khi lượng dữ liệu thu thập và xử lý trong ô tô tăng lên, ECU và các mô-đun khác trong hệ thống sẽ yêu cầu nhiều sức mạnh xử lý hơn dưới dạng MCU và FPGA chất lượng ô tô. Kích thước, tốc độ và vị trí chính xác của các thành phần này vẫn là một câu hỏi mở. Xét theo xu hướng tích hợp được thấy trong thị trường IC chuyên biệt, tôi mong đợi nhiều nhà sản xuất sẽ bắt đầu cung cấp và/hoặc tiếp thị SoCs chuyên dụng cho ô tô tích hợp một MCU.

Phạm vi các dịch vụ không dây, hệ thống quản lý năng lượng, và sức mạnh xử lý cần thiết cho các phương tiện mới nên tiết lộ bức tranh điện tử phức tạp trong các phương tiện mới. Việc theo kịp tất cả xu hướng điện tử ô tô là điều không thể, nhưng các nhà thiết kế cần chọn lựa linh kiện cho các hệ thống này có thể nhận được cái nhìn toàn diện về chuỗi cung ứng với một công cụ tìm kiếm điện tử mạnh mẽ. Các nhà sản xuất chip có khả năng phản hồi với SoCs chuyên biệt, tương tự như cho các sản phẩm IoT và di động, và bạn có thể tìm thấy những linh kiện chuyên biệt này cho các phương tiện mới với công cụ tìm kiếm phù hợp.

Nếu bạn đang phát triển các giải pháp mới cho ngành công nghiệp ô tô, nơi đầu tiên bạn nên bắt đầu tìm kiếm linh kiện là một công cụ tìm kiếm điện tử mạnh mẽ. Octopart cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh cho quản lý chuỗi cung ứng và lựa chọn linh kiện, bao gồm các tính năng lọc tiên tiến để giúp bạn chọn chính xác các linh kiện bạn cần. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để bắt đầu tìm kiếm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.