电气化趋势不可逆 车用半导体扮演推手
电动汽车的应用已经成为汽车半导体市场成长的一大关键因素。 高压、高频、高功率密度的车用系统，发展趋势也渐渐成形。 将半导体效能提升，才能回应新世代智慧型车辆发展的需求...
分析机构Strategy Analytics调查指出，电动汽车市场与其所需的支援技术，预告着未来几年将有前所未见的成长机遇。Strategy Analytics动力装置、车体、安全、底盘（PBCS）暨电动汽车服务（EVS）执行总监Asif Anwar表示，电动汽车的应用现在是汽车半导体市场成长的一大关键潜在因素，相关的半导体需求预计将在2021至2026年间，以31％的年均复合成长率增加。电动汽车变革已到来，基于领域与区域架构前沿的新一代电动汽车平台正推动普及数位座舱、先进驾驶辅助系统（ADAS）与联网汽车。
汽车迈向电气化
全球正迈向汽车电气化，汽车制造商也开始运用半导体技术来优化性能并加速开发，促使更多人能够买得起电动车。
在这种展望全球电动车未来发展愿景的氛围下，汽车产业正加速变化。汽车制造商大胆宣称 2030 年的汽车会与当前的路上常见的车型极为不同。而全球正迈向汽车电气化，汽车制造商也开始运用半导体技术来优化性能并加速开发，促使更多人能够买得起电动车。制造商制造最后一台採用内燃机的汽车只是时间问题，未来汽车的样貌将永远改变。
TI 行销资深副总裁 Keith Ogboenyiya指出，对于电动车的瞭解，可以参考许多缐上评论和报告，并深入研究，找到最适合的汽车。除了希望能够採用创新技术，同时又兼具可靠、经济实惠、安全和舒适。一般来说，驾驶者注重的车用功能如下：
●快速充电和更长的续航里程
●道路行驶的高性能和安全处理
●即时汽车诊断，可按照驾驶需求和偏好进行设定，并且确实出现在看得见的视野内
●无缝连接所有装置内容的流畅体验
●绝佳的音讯和语音性能，带来最佳的音响和使用者体验
●随手可及的创新和适应性操控中心，完善个人化的车内体验，包括座椅功能、照明选项和空调控制
●先进的安全功能，例如盲点监控和前端雷达，藉以避免事故并保护乘员
车用半导体需求
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随着第三代半导体SiC MOSFET的兴起，更高压、更高频、更高功率密度的车用系统，发展趋势也渐渐成形。而事实上，应对全球气候变化挑战，在碳减排和提高能源效率的目标驱使下，可再生能源、新能源技术的应用，在工业和汽车等领域得到快速发展，这也大大扩展了类比晶片的处理和传输应用，特別是在新能源汽车的应用领域上。
包括人工智慧、电气化汽车、扩增虚拟实境与5G等顶尖应用，都必须在不增加生产成本的情况下，发展高频宽、高效能与低功耗的元件，半导体产业因此转而致力于异质整合设计。透过制造、组装与封装，将多种不同元件或具备不同尺寸与材质的晶粒进行整合，以便提升元件效能。
在车辆的设计上，感测能力已经成为不可或缺的车用配备。就以目前还採用内燃机的汽车为例，随着环保法规的完善，以及排放标准的升级，车用发动机为了充分燃烧，减少碳排放，通常需要在进气歧管上安装温度压力感测器（TMAP），快速精确的控制空燃比，以实现动力性、燃油经济性和排放之间的平衡。
而在新能源汽车上，由于强弱电路之间的信号转换，也使数位隔离晶片的需求明显提升。新能源汽车常有安规与性能方面的设计需求，因此汽车的三电系统，包括车载充电器（OBC）、BMS、逆变器、电动空压机、PTC驱动器等高压模组，都需要採用数位隔离晶片。
在车用的高压电流检测中，通常採用霍尔电流感测器和分流器採样两种方案，前者具有天然的隔离特性，而后者需要增加隔离运算放大器或调变器来进行电气隔离。相较之下，分流器加上隔离运放、调制器的採样方案，具有更高的精确度和更低的非缐性度，同时失调电压和失调电压温漂较低，且不易受到外部磁场的干扰，因此更常被工程师採用。
感测器融合应用
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ADAS技术逐渐扩展到对时间较敏感的关键应用上，例如紧急剎车、警告和避免汽车正面碰撞，以及盲点侦测等，因此结合来自多个感测器的资料将有助于做出可靠、即时的决定，以实现更安全的自动驾驶。
人工智慧辅助摄影机可以使汽车进行路标的辨识路标，并保持在车道缐内，让行车变得更智慧、更安全。但很多时候，驾驶人和摄影机的视缐都无法辨识路况，例如遇上浓雾的状况。TI先进驾驶辅助系统总经理 Miro Adzan 表示，摄影机在识別物体上是一个很好的选择，但在恶劣的天气或夜间效果不佳。雷达却仍然能在下雨、下雪或起雾时正常运作。驾驶辅助系统需要整合一系列不同的感测器，协助汽车充分发挥这些不同技术的优势。使用不同类型的感测器所展现的优势，不仅止于可针对不同条件或切换这些感测器的应用。既使在晴朗的天气，虽然摄影机拍摄物体细节的能力更强，但透过雷达却还能够更准确测量物体的距离。
随着感测技术扩展到对时间敏感的关键应用上，例如紧急剎车、警告和避免车辆正面碰撞，以及盲点侦测，设计工程师就需要结合不同的资讯来源，藉以提供可靠的即时决定。
在目前，先进的安全系统不再只有高端汽车的专属配备。美国生产的汽车，将近93%都配备
至少一项的ADAS功能，而自动紧急剎车也预计将成为美国99％新车的标准配备。这样的发展，是由于感测器成本降低和尺寸缩小的结果，目前 TI的毫米波雷达感测器已经可以将整个雷达系统整合到硬币大小的晶片中。
虽然价格合理的感测器日渐普及，开启了新的应用层面，然而 ADAS 工程师也因此面临新的挑战，他们需要设计能够匯集所有资料串流，并有效处理这些资料的系统，同时满足合理价格和功率的严格限制。这些资料进入中央处理器之后，会整合到汽车周围环境的统一模型中，这通常需要计算密集型讯号处理和深度学习演算法，因此所需的功率输入和热量输出会增加。汽车的实体限制，对电池和冷却基础设施的尺寸与重量造成严格限制，因此 ADAS 工程师需要专门设计能有效执行这些任务的处理器。
在单一感测器 ADAS 系统中，在侦测物体前会在感测器附近预先处理资料，以便立即使用这些资讯。不过，感测器融合需要将原始的高解析度资料立即传输到中央单元进行处理，藉以形成单一、准确的环境模型，避免汽车发生碰撞。TI FPD-Link产品总经理 Heather Babcock 说，所有资料都来自于感测器节点，最大的挑战在于确保所有资料同步，汽车才能瞭解周围发生的情况，并做出重要的决定。为了即时传输同步资料，高频宽、未压缩的传输能力相当重要，因为压缩资料会导致延迟。
结语
催生新世代车辆需要大幅整合半导体功能。例如恩智浦目前正从硬体定义的世界，以车辆内的ECU为基础，转移至以统计带动软体定义的世界，因此可以创造新商机和经验，最终能无缐更新车辆，并催生连接智慧车辆，而且会随时间进展越来越聪明，在资安、安全、新使用体验上都会越来越好，最终将提供更佳价值给客户。
从这些厂商的发展经验可以看出，积极将半导体效能提升到下个层次，才能回应新世代智慧型车辆需要的更新、更高效能应用等特色。并提供真正的行车体验，为OEM厂商带来商机，产生新营收模式，降低营运成本，并提升用户体验。
*刊头图(source：microsoft.com)