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控制技術/MCU  

無線ASIC加速胎壓監測系統普及

上網時間: 2006年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:AMI  汽車電子  胎壓監測  TPM  ABS 

近年來,汽車電子技術的發展已使車輛安全性能得到了顯著改善。其中一項可望獲得大規模應用的就是輪胎壓力監測(TPM)系統。

與輪胎爆裂有直接關聯的致命意外事故導致了對低成本、低功耗、小型可靠之車輛輪胎壓力監測技術的迫切需求。這類同時整合了低數據率無線傳輸功能的技術,預計將在未來幾年內透過OEM汽車廠商全面普及TPMS的應用。

某些統計數據強調了對TPMS需求的迫切性。例如,雷諾汽車的統計結果顯示,高速公路上6%致命的意外事故是由欠壓的輪胎突然失效所引起的;而米其林公司進行的一項調查顯示,英國30%的駕駛員都只依賴於汽修廠定期檢修時的胎壓檢測服務。但是這遠遠不夠,因為隨著車輛可靠性的改善,定期檢修的間隔期間越來越長,目前一些最新車輛的檢修服務里程間隔能長達25,000公里。

許多新型高階汽車已將胎壓監測系統列為標準配備。過去是以輪間轉速差為依據來檢查某個輪胎是否欠壓,因而實現胎壓監測的目的,進而提高ABS性能。然而遺憾的是,這類系統的精確度和反應時間不能滿足規定的要求;其原因是它依賴於壓差測量,如果所有的輪胎都充氣不足時,該系統就不能發出可靠的警報。對於這樣的系統,當超過輪胎保養週期時,駕駛員必須重新設定系統。

圖1顯示的解決方案能監測每個輪胎的壓力、運動、溫度和電池電壓。來自每個輪胎上的資訊被處理,處理後的數據被發送到車輛中央控制器,必要時它會向駕駛員發出危險警告。提供給駕駛員的資訊可以只是簡單的警報,也可以是在儀表盤的數位顯示器上具體顯示每個輪胎的壓力數據。有些系統可能還包括請求讀取功能或稱為依需求讀取功能。


圖1:輪胎壓力監測系統解決方案結構圖

AMI半導體已開發出了一種低速率TPMS無線解決方案,支援Gb頻率以下應用。TPMS的工作頻率可能繼續保持為免許可頻段(美國為325MHz頻段,歐洲為434MHz頻段),以便TPMS可利用遙控車門開關(RKE)接收器。

TPMS關鍵的指標是耗電量、體積、可靠性和成本。該設備還必須符合國際上各種規定,包括美國聯邦通訊委員會(FCC)和歐洲電信標準協會(ETSI)制訂的主要標準。


降低功耗

耗電量是TPMS感測器/發射器要考慮的主要問題之一。為使感測器/發射器模組盡量小巧、輕便,對電池的大小作了嚴格的規定。由於電池的體積縮小,電池容量或有效能量也變小。汽車製造商都期望有壽命較長的電池,一般規定電池的最短壽命為10年,容量最小為220mAh。這樣的電池可供一個平均連續耗電電流為2.5μA的TPMS系統連續工作87,000個小時(約10年)。

要使電池壽命盡量延長,就必須以很高的工作週期為設備的各個部份供電。作為電源管理一部份,這些設備需包含一個‘被動(inactive)’工作模式和一個‘主動(active)’工作模式。‘主動’模式受汽車運動的觸發,其壓力讀取率能比‘被動’模式高一百倍。在射頻發射期間,TPMS的耗電量最高,高出壓力測量處理模式期間的5倍以上。如果減少壓力測量發射次數或僅在壓力大幅度減少時才進行測量和發射,就能節省大量的功耗。

用做喚醒計時器的RC振盪器是需要連續工作電路中的一部份。另一種持續電流消耗是由於設備的泄露而引起的。這兩項總計大約為400nA。‘被動’模式電路的耗電預計佔電池10年壽命的90%,可望把該狀態下的平均電流降低至500nA。這樣,就可能會讓‘主動’模式中的平均電流提高到約2.8μA,但這仍然僅是非微小的提升。

由於該振盪器能迅速升至它們所需的操作點,因此在一些電路中的功耗可望能進一步降低。其中需要大量啟動時間的電路即為晶體振盪器。在這種情況下,使用AMI的‘快速啟動晶體振盪器’IP會比較有利。這種自校準電路可以將振盪器的啟動時間減少到5-10μs之間,而一般晶體振盪器的啟動時間為5-10ms。

為了將電源損耗降至最小,還需要採用一些元件,如超低功耗類比數位轉換器、AMI半導體的sniff模式快速喚醒功能(訊號波形如圖2所示),以及利用晶片上智慧晶片來減少RF發射次數等。


圖2:AMI半導體‘sniff模式’的快速喚醒功能訊號波形圖

改善可靠性

如果能盡量減少外接元件的數目,TPMS模組的可靠性就能得到改善,電路板或模組所佔空間也會減少。事實上,許多IP模組的設計都將此作為一個目標。我們還可以把許多外部元件整合在一起,如晶體負載電容器、鎖相環(PLL)濾波元件及溫度感測器。

對於所有的RF無線通訊應用,多徑衰減都會為可靠通訊帶來嚴重影響。由於車輛處在一個不斷變化的環境中,故TPMS應用中的多徑衰減也會引起嚴重問題。為減少這些問題,可使用雙天線分集接收,AMIS-52100中即是如此。分集功能可以獨立自動工作,不需要外部控制器或RF開關。

降低成本

在努力滿足TPMS的強制性要求時,成本仍然是汽車製造商們要考慮的基本問題。如前所述,整合TPMS中央控制器與RKE系統可獲得很大的經濟利益,目前大多數車型都採用了該方法。利用成熟、高效的處理器和IP也有助於降低成本。此外,最好選用經濟的EEPROM模組,該模組可用來儲存一些校準值、輪胎序號或位置編號。

為將系統元件數減到最少,建議把看起來應該是矽MEMS之類的感測器與介面/發射器IC整合在一個多晶片封裝中。不過,在同一晶片上整合感測器與介面/發射器並不見得經濟可行。主要原因在於儘管大尺寸CMOS製程一般來說只會便宜一些,但將該製程用於感測器時就要比一般的CMOS製程便宜很多,這是由於採用該製程能簡化感測器的製造;另外,感測器元件的體積也比較大,這些特徵使它們與CMOS ASIC不太協調。

幸運的是,微電子技術的發展可以滿足TPMS所面臨的這些挑戰,在保證OEM製造商和用戶的低成本的條件下,將進一步提高車輛的安全性能。

作者:CraigChristensen

無線系統架構師

Herv Branquart

汽車電子市場部經理

AMI半導體公司




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