推动汽车行业传感器热潮的三大趋势

我们正处于汽车行业历史性的、明显的转折点。汽车制造商在创新和重新定义汽车使用方面面临着巨大的压力。他们不仅需要满足消费者的需求，还必须跟上不断变化的安全和环境法规。因此，汽车制造商正在增加在车辆内部和周围使用的传感器数量，以为客户提供更高的安全性和功能性，这需要传感器制造商对先前的技术进行小型化和改进。

在本文中，我将重点介绍未来 10 年将显着增加车辆中使用的传感器数量的三个主要趋势：信息娱乐系统的进步、额外的安全和自动驾驶功能以及电气化的兴起。

趋势一：信息娱乐系统变得更加先进

包含最新信息娱乐功能和趋势的汽车技术采用率呈指数级增长。用户体验不仅仅是一种驱动器。

如图 1所示，典型车辆中使用的显示器数量正在增加——从可重新配置的仪表组到中控台再到乘客娱乐。同时，由于更大的屏幕、更精细的分辨率和更高的亮度水平，显示质量也在提高。用于后视和侧视的电子镜也变得越来越普遍，无线充电模块和附加媒体集线器也是如此。汽车开始感觉像是智能手机的无缝延伸，消费者期待美观干净的触摸表面设计，这导致额外的集成电路 (IC)，如电感数字转换器 (LDC) 传感器，可在表面上实现“强制触摸”功能不是屏幕，能够检测施加的力量。

德州仪器 (TI) 的LDC3114-Q1等 LDC 传感器可实现无缝用户界面 (UI) 体验，其中中控台周围的 UI 采用金属、塑料或玻璃表面触控。

此外，TI 的TMAG5170-Q1等 3D 霍尔效应传感器可实现电子换档器（换档器）中的位置检测以及操纵杆和旋钮的信息娱乐控制，这些功能通常与中控台周围的触摸和 UI 功能相结合。

支持所有这些新功能和显示需要额外的更小尺寸的 IC，这导致 IC 和印刷电路板 (PCB) 的小型化，同时实现了更强大的功能。挑战在于，当您减小容纳 PCB 的模块尺寸同时增加处理要求时，您就有了更高工作温度的完美配方。这主要是由于更多的处理和更小的外形尺寸导致的气流减少导致的更高的功耗 - 这两者都与环境有关，因为信息娱乐系统在其生命周期的大部分时间里经常暴露在阳光下。

由于温度传感器在帮助避免因过热而损坏电路方面发挥着如此重要的作用，因此汽车制造商正在增加在典型 PCB 上使用的温度传感器数量，并在产品选择过程中优先考虑可靠性和准确性。在微控制器、电源或背光 LED 显示屏等系统热点中放置温度传感器有助于将这些组件保持在推荐的工作条件内，从而使信息娱乐系统能够提供消费者期望的性能和可靠性。

鉴于可用的数千种选项，找到合适类型的温度传感器可能很困难。TI 的TMP61-Q1线性热敏电阻不会破坏银行，并且比传统的负温度系数热敏电阻更可靠。TMP61-Q1提高的精度有助于最大限度地减少温度误差安全裕度，以防止误触发。这使控制系统能够在更接近热限制的情况下运行，并且仅在需要时节流或关闭。

在接下来的几年里，您不仅可以看到传感产品的数量增加，而且信息娱乐系统的准确性和集成度也会提高，目标是实现更多的用户体验功能和更有趣的驾驶体验。

趋势二：额外的安全和自动驾驶功能

并非所有汽车都是平等的，尤其是在为某些市场量身定制时。但政府法规正在缩小标准安全功能差距，以确保消费者安全。例如，2019 年，印度政府要求在其国内销售的所有车型中安装主动和被动安全功能。为了将这些安全功能添加到中低端车型，汽车制造商需要添加更多传感器来感知车辆内部和周围的环境。

您会在后视摄像头中找到这种趋势的一个很好的例子。它们在 10 年前仅在豪华车型上提供，但现在已成为大多数新车的标准安全功能；没有它很难找到一辆新车。另一个例子是驾驶员监控系统，它也越来越受欢迎。因此，如果历史重演，我不会对广泛采用更先进的安全功能感到惊讶。

高级安全功能是高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 的一部分。最初以巡航控制而闻名，ADAS 已经演变成更多，将车辆上的传感器提升到一个全新的水平，以支持诸如车内监控、盲点检测、车道偏离警告、停车辅助等功能——甚至是最新的自动驾驶驱动技术。

图 2显示了不同级别的自动驾驶及其相应的特征。尽管实现 5 级自动驾驶存在许多障碍，但汽车制造商正在努力实现这一目标。

图 2 自动驾驶的等级（来源 Texas Instruments）

如果没有摄像头和边缘的超声波、雷达或激光雷达传感器来感知车辆周围的环境，自动驾驶功能就不可能存在。随着越来越多的汽车制造商竞相实现更高水平的自动驾驶，传感器数量的增加是不可避免的。但是你要把它们放在哪里？

这就是小型化发挥作用的地方——封装尺寸和集成度大放异彩。例如，当今的高端车辆采用多芯片单雷达系统。由于使用了多个分立元件，当这些雷达系统需要更小、更低功耗和成本效益时，它们又大又笨重。TI 提供汽车毫米波 (mmWave) 雷达传感器解决方案，例如 TI 的AWR1843，其处理与前端位于同一位置，可将雷达系统的尺寸和外形尺寸减小 50%。TI 还提供与封装天线毫米波雷达设备（例如 TI 的AWR1843AOP ）的更高集成度，从而能够在车辆周围高效安装多个雷达系统。

需要的不仅仅是高数据密集型传感器；更小的构建块传感器将确保用于传感器融合和人工智能的计算密集型处理器的安全性和长期性能。如果处理器过热、电流消耗过多或暴露在高湿度环境中，其性能可能会下降或完全损坏，从而影响 ADAS 功能。温度、电流甚至湿度传感器（如HDC3020-Q1）将这些处理器和其他 ADAS 组件（如 LiDAR 传感器）保持在其指定的工作条件下，以防止损坏。

ADAS 具有比其他汽车系统更严格的系统级安全要求，因为随着车辆变得更加智能，它们也变得更加复杂。更高的复杂性引发了安全问题，尤其是随着自动驾驶成为主流。汽车安全完整性等级 (ASIL) 评级确立了在设计这些系统时降低风险和确保标准安全程序的要求。因此，整个车辆的许多子系统都必须具有系统级功能安全性。

功能安全中的一项常见要求是冗余。为了满足冗余要求，汽车制造商正在迅速将传感器用于安全关键控制系统，进一步增加传感器的数量。像 TI 这样的传感器制造商已经注意到这一趋势，并专注于让工程师更容易找到和使用传感器，无论是在旨在满足功能安全标准的设计中，还是在具有竞争力的差异化更安全系统中。

趋势 3：电气化的兴起

汽车制造商正在全力开发电动汽车 (EV)。为什么是电动汽车？好吧，安静的行驶和即时扭矩并不是它们获得牵引力的唯一原因。与政府减少二氧化碳排放的目标有关，还有更大的力量在发挥作用。

许多国家已经宣布了电动汽车销售的目标日期和承诺。例如，韩国宣布了 2050 年实现碳中和的目标日期，并相应计划通过延长电动汽车税收优惠和特定的电动汽车购买目标，到 2025 年将上路的电动汽车数量增加到近 300 万辆。 . 每个国家的目标细节可能有所不同，但共同的目标是随着税收减免或补贴等法规和激励措施逐步淘汰内燃机 (ICE) 车辆。

电动汽车产量的增加如何影响对传感器的需求？与内燃机汽车相比，电动汽车对电压、电流、温度和湿度传感的要求更高，因为车载充电器、DC/DC 转换器、逆变器和电池管理系统 (BMS) 等大型子系统都处理高压或电流。这些系统中的每一个都需要密切监控，以最大限度地减少电流浪涌、热失控、甚至腐蚀或水分泄漏造成的短路的威胁。

这些系统中的高传感器精度可以转化为更短的电动汽车充电时间，甚至更长的电池寿命。例如，更准确的温度读数可以减少误差范围，从而防止错误触发控制系统并使操作更接近热限制，仅在必要时节流或关闭。使用温度传感器时的总精度与传感器和周围组件、使用的布局技术和热传导路径有关，因此在使用表面贴装温度传感器时必须牢记最佳实践。

TI 的TMP126-Q1温度传感器可帮助系统采取先发制人的措施来降低热损坏风险，其温度转换率警报可在温度快速变化达到危险水平之前检测到温度变化，从而降低热失控风险。像 TMP126-Q1 这样的传感器不仅准确，而且由于其硅材料的低传感器漂移，它们也很可靠。在具有高充电电流的 BMS 中，保持电流感应精度以正确了解电池的充电状态非常重要。使用精确的低漂移电流传感器（例如 TI 的INA229-Q1 ）有助于保持 EV 电池随时间、温度和湿度水平的效率。

结论

随着信息娱乐系统变得更加先进、安全和自动驾驶功能的普及以及电动汽车的市场份额增加，传感器只会随着时间的推移而继续增加。为了帮助汽车工程师优化他们的设计，半导体制造商正在提供更小、更准确、更节能的传感器。有这么多可用的传感器，产品选择可能是压倒性的。确定最重要的标准很重要——关注精度、漂移和尺寸等参数是缩小选择范围的好方法。

关于作者

Bryan Padilla 是德州仪器 (TI) 的产品营销工程师。他对汽车市场有着毕生的兴趣，并专注于传感技术。

审核编辑 黄昊宇