2021年汽车电子趋势及未来展望

CES 2021为我们带来了一系列未来派的车辆用品和有趣的概念车辆，而即将到来的CES 2022展览预计也不会让人失望。这些车辆中的电子设备反映了更广泛的汽车电子趋势，这是汽车制造商、OEMs、售后市场电子设计师和消费者不能忽视的。PCB是汽车电子的支柱，而电子成本目前占新车成本的约40%。预计到2030年，这一比例将达到50%，正好是新消费者汽车预计部分或完全自动驾驶的时点。如果你回顾1950年代雪佛兰的引擎盖下，很难想象汽车工业已经发展到了这个地步。 不仅是电子组件的数量预计将继续增加，这些系统的复杂性，无论是硬件还是嵌入式软件，也将增加。在这些统计数据下面，有几个汽车电子趋势将推动OEM和售后市场设计师的组件需求。让我们看看这些趋势如何影响新车和未来汽车的电子系统格局。

顶尖汽车电子趋势

每个人都熟悉的最突出趋势是当前的汽车芯片短缺，不幸的是，这已经波及到电子行业的几乎每一个其他领域。汽车电子覆盖多个应用领域，从电源到传感和无线通信。

电动车的电源管理

随着经济发达国家的基础设施变化，以及新型电池系统的开发，我们可以继续期待拥有更长续航里程和更快充电时间的电动车。这一切都依赖于更先进的电源管理系统，这些系统依赖于一系列基本组件。这些组件不一定是高度集成的SoCs，仅仅因为它们需要处理如此多的电力，但高功率系统可能仍然需要在专用模块上使用离散组件操作。

出现在电动车中的一些主要电源系统包括：

• 无线BMS，用于管理电动车电池组中的充电分配，以及监控电池和将数据回传给控制单元。

• 电动车充电站中V2G技术和双向充电的出现。

• 使用具有高工作温度和高热导率的更先进半导体，用于功率MOSFETs。

在这些电源管理系统中需要使用的一些典型组件包括用于感测和控制回路的一系列组件，例如电流感测放大器。由于电动汽车（EV）使用的电池组电压较高，因此用于ESD保护的组件也是保护电路不可或缺的。集成的电源管理IC，带有多个调节器（见下方的NXP的MC33PF8200A0ES）正被用来控制这些系统，以及汽车级处理器和一套ASIC。

NXP的MC33PF8200A0ES应用处理器提供了一种集成的汽车电源管理解决方案。

关于需要在高功率下运行以管理充放电的功率FET，SiC和GaN-SiC是这些开关组件的理想材料平台。特别是，SiC是一种宽间接带隙半导体（3.3 eV带隙），在相对较低的开关频率下提供低损耗的功率转换。它还具有比Si更高的热导率，使其成为电动汽车中高功率转换任务的理想材料。虽然这些组件最初是为针对RF功率应用（如在较新的移动基础设施中）而开发的，但它们在电动汽车的功率应用中同样有用。实际上，第一个具有集成驱动器的汽车级GaN FET在去年宣布，其他公司也跟进推出了自己的组件。

车内和智能基础设施网络

新车比以往任何时候都处理更多的数据，它们使用的数据量只会增加。消费者汽车中的车内网络目前在以太网上的速度低于1 Gbps，但千兆位以太网和车内无线连接设备将改变数据的收集和处理方式，以及驾驶体验。车内网络和智能基础设施网络都是新汽车的巨大机会，并被汽车行业视为新的增长市场。仅车内网络预计将在2026年成为15亿美元的市场，这将通过一系列集成处理器和SoC得到促进。

德州仪器的CC2541-Q1 通过汽车认证，是SimpliLink平台用于物联网产品的一部分。

实施无线技术已经超越了通过蓝牙连接驱动程序和信息娱乐系统。除了上述的无线BMS设计外，还有动机在车辆的其他区域实施无线连接。ECU通常需要放置在它们将与之交互的传感器和执行器非常接近的地方。结果是，每增加一个新车的ECU，就需要增加额外的布线。因此，现代汽车的网络束线可能包含数千个连接，并且长度可达数千米。用无线连接替换有线接口可以减轻重量和系统复杂性，并且遵循当前连接车辆中发现的范式。

为了实现更先进的ADAS、自动驾驶车辆以及源自车内外的一系列新服务，新车还需要相互连接、与智能基础设施系统连接，甚至与自行车和摩托车连接。当前基于WLAN的车对一切（V2X）无线标准基于IEEE 802.11p，而其他功能将依赖现有的4G或即将推出的5G蜂窝服务。这些系统所需的组件包括：

• 4G/4G LTE和5G收发器、调制解调器和天线模块

• 用于Tx通道的RF功率放大器IC

• RF收发器IC，操作在一系列频率（WiFi、DSRC、双频管道高达5.9 GHz等）

直到最近，关于802.11p标准（称为专用短程通信，或DSRC）或蜂窝哪个将成为车辆间网络的主导协议还存在一些争议。截至2020年10月，FCC将5.85至5.895 GHz频谱重新分配给了一个未经许可的频段。原始DSRC频谱的其余部分被分配给了更新的C-V2X，恰好在3GPP Release 14中标准化。这有效地终结了DSRC，使C-V2X和5G支持的服务成为连接车辆和智能基础设施的即将到来的技术。

向3G说再见

我的当前汽车可以充当WiFi热点，并通过4G LTE/5G连接到我的蜂窝服务（市场上称为Connected Car服务），然后汽车可以通过蓝牙连接到我的设备。随着5G的继续推出，您的蜂窝服务的功能将继续在新汽车中得到体现。在新车中可能不会提供的一项服务是基于3G的导航和安全服务。

电信公司计划关闭许多汽车用于导航、碰撞检测、交通可视化和特殊服务（如BMW Assist和OnStar）的3G服务。在某些方面，这只是十年前2G关闭的重演。一些运营商比其他运营商更能适应向新技术的过渡，但汽车公司在通知驾驶员他们的连接汽车服务何时将关闭方面一直松懈。对于新车，预计将继续转向更新的无线技术，以实现尖端的用户体验。

OnStar 系统只是即将停止服务的 3G 服务之一。

智能 ADAS 的传感器

一些专家表示，消费者要想购买到一辆自动驾驶汽车，大约还需要十年时间。这背后有许多原因，主要围绕着开发一套用于控制和决策的高级算法。然而，在硬件层面上还有其他需要解决的挑战。此外，还有支持自动驾驶车辆所需的监管挑战和基础设施。这些挑战不仅存在于车辆内部，也存在于车辆外部，以及与人类驾驶的其他汽车的关系中。

当前 ADAS 的传感器布局涉及到超声波、雷达和摄像头的某种组合，所有这些都需要与 ECU 连接。随着 Lidar 能够实现摄像头图像无法实现的深度映射，它也可能在 ADAS 传感器网络中变得普遍。Lidar 之所以引人注目，是因为它不仅限于在汽车中使用，这项技术对于智能城市的感应和成像通常也很有用。尽管在过去几年中 Lidar 并非讨论的主要焦点，但公司仍在将其作为智能 ADAS 系统的高级解决方案的一部分推广，因为它提供了更高分辨率的成像和映射，以支持新车辆中的雷达和视觉系统。

ADAS 传感器所需的组件不仅限于传感器本身，还包括以下内容：

• 雷达收发器和 SoCs（24 GHz 和 77 GHz）

• Lidar 系统组件，包括脉冲激光二极管

• 用于传感器融合的多通道 ADC 和嵌入式处理器

• 定制摄像头的组件，包括 CCD/CMOS 传感器模块

一些传感器及其支持组件可能需要通过标准数字接口（I2C、SPI、CANBus 等）相互通信，而模拟传感器可能使用标准的 0/5 V/4-20 mA 接口（例如，环境传感器）。

处理能力

当前汽车包含 100 多个 ECU，这个数字预计只会增加。随着汽车中收集和处理的数据量增加，ECU 和系统中的其他模块将需要更多的处理能力，形式为 MCU 和 汽车级 FPGA。这些组件的确切大小、速度和位置仍是一个未解之谜。鉴于专业 IC 市场中集成趋势的发展，我预计许多制造商将开始提供和/或营销集成了 MCU 的汽车特定 SoCs。

新车所需的无线服务、电源管理系统和处理能力范围应揭示新车中复杂的电子设备景观。跟上所有汽车电子趋势是不可能的，但需要为这些系统选择组件的设计师可以通过强大的电子搜索引擎获得供应链的完整视图。芯片制造商可能会响应，推出专门的SoCs，类似于物联网和移动产品的SoCs，而您可以通过正确的搜索引擎找到这些以及新车的其他专门组件。

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