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位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
Heinz Oyrer, 位置传感器市场策略高级经理
艾迈斯半导体司,传感器和传感接口部门
The 4th International Automotive Electronics Innovative Technology Forum 2016, March 14, 2016, Shanghai, China
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日程The 4th International Automotive Electronics Innovative Technology Forum 2016
• 关于艾迈斯半导体
• 汽车电子相关的介绍
• 集成的杂散磁场消除功能
• 动态角度误差补偿 (DAEC™) • 新数字输出接口
• 系统级的封装 (SiP)• 汽车安全完整性等级(ISO 26262 标准)• 总结
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核心领域
设计及制造先进模拟传感器解决方案
市场:通信、消费、工业、汽车、医疗
解决方案:智能光传感器、RFID/NFC、化学传感器、主动降噪IC、位置传感器、超低功耗电源管理方案等
标准化产品及定制化解决方案(ASIC以及晶圆代工服务)
人员分布
全球20个国家逾2,100名员工
18 个设计中心
20 个销售办公室
30 多家渠道合作伙伴
加工
超过30年整合元件制造(IDM)经验
先进的制造工艺:CMOS、HV-CMOS、硅锗、3D TSV汽车及医疗产品认证
全方位晶圆代工服务,包括封装及测试
位于奥地利的8英寸晶圆厂(180k wspa)位于菲律宾卡兰巴的测试中心
与全球晶圆制造商的稳固合作关系
财政状况
2015年营收高达6.23亿欧元/6.91亿美元
2015年第四季度营收1.47亿欧元/1.61亿美元(2014年第四季度:1.39亿欧元/1.41亿美元)
关于艾迈斯半导体以传感器解决方案打造完美世界
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传感器世界
智能手机与平板电脑
• 环境光、颜色及接近传感器• 手势识别• NFC非接触式支付解决方案• 环境传感器• 主动降噪• 光学传感器
• 位置传感器• 先进的驾驶辅助传感器• 空气质量传感器• 氢敏传感器
智能家居及建筑
• 气体传感器• 温度传感器• 智能光传感器• 湿度传感器• 压力传感器• 流量传感器• 闪电传感器
可穿戴设备
• 生物传感器,用于心率监测• 电源管理• NFC非接触式支付解决方案• 主动降噪• 环境传感器
• 位置传感• 用于机器视觉和无人机的
CMOS传感器• 工业/建筑自动化• 流量传感器 (热度、水、
气体计量)• NFC智能标签
工业
汽车
医疗
• 图像传感器适用于:• 电脑断层扫描• 数位X光• 超音波• 外科手术机器人• CMOS图像传感器,用于内
窥镜检查(微型相机)
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• 电子工业的创新是对汽车产品创新的补充,并能提升竞争的优势
• 因此半导体在汽车价值链中变得越来越重要
汽车电子相关的介绍位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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• 传感是汽车电子系统的重要功能。位置传感器是有关汽车传感需求中最大的市场分类。
• 磁位置传感器在汽车中的应用迅速增加,如节气阀门位置、悬挂控制、电动助力转向、电子油门踏板、电子刹车踏板和自适应车前灯系统。
汽车电子相关的介绍位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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• 除此之外,先前使用机械驱动的应用,诸如电动方向盘、传动驱动和发动机冷却系统越来越多电子动力化。
• 这形成了汽车行业对无刷电机,以及因此带动了电机位置及控制传感器的需求。
汽车电子相关的介绍位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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汽车传感器总需求 (百万片)资料来源: Strategy Analytics Oct 2015
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022CAAGR
2014-2019CURRENT 33,7 47,3 61,3 75,2 88,7 103,2 118,7 133,2 147,7 160,4 20,2%CAPACITIVE FIELD 4,0 4,6 5,1 5,9 6,6 7,4 8,2 9,0 9,9 10,7 12,3%NOX 5,1 6,3 7,4 8,7 10,1 11,4 12,8 13,7 14,6 15,4 15,4%OCCUPANT DETECTION 2,7 2,8 3,2 3,7 4,3 5,1 5,9 6,5 7,2 7,8 15,8%ENGINE OIL LEVEL 6,6 7,0 7,3 7,6 7,9 8,2 8,6 8,8 9,2 9,7 4,3%ENGINE OIL QUALITY 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 3,2%OPTO 99,3 108,7 115,4 125,3 135,3 145,0 154,9 163,5 172,4 180,8 7,3%AIR QUALITY 12,3 13,4 14,3 15,5 16,6 17,7 18,9 19,9 21,0 22,1 7,2%ADAS 181,1 219,6 254,7 295,6 323,7 353,2 381,9 406,1 431,1 453,3 11,7%PRESSURE 509,6 559,4 597,4 645,7 701,2 757,4 823,4 868,4 911,3 943,3 8,0%YAW 72,4 81,4 89,1 99,6 109,6 119,2 129,2 137,0 144,2 150,4 9,7%ROLLOVER 35,5 39,8 43,2 47,0 52,2 56,1 60,1 63,3 66,2 69,0 8,6%LOAD 0,7 0,8 0,9 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 8,5%TORQUE 60,7 67,5 71,5 75,6 79,2 83,0 87,3 90,5 93,6 96,2 5,3%OXYGEN 135,2 148,6 150,9 157,9 162,0 167,1 173,8 178,2 182,5 185,9 3,2%POSITION 851,9 912,3 949,1 1.009,5 1.065,0 1.119,0 1.179,9 1.229,4 1.279,5 1.324,9 5,3%HUMIDITY 9,5 10,3 11,0 11,8 12,5 13,3 14,1 14,8 15,5 16,1 6,5%TEMPERATURE 390,6 417,1 436,4 465,4 496,5 527,2 561,7 589,1 617,7 643,6 6,1%ACCELEROMETER 590,4 629,9 656,7 700,0 747,5 798,1 856,3 896,8 933,1 962,7 6,3%SPEED 449,0 474,6 485,5 509,8 533,9 557,4 585,6 606,4 627,3 645,8 4,3%MASS AIR FLOW 47,0 48,8 49,9 51,7 53,0 54,3 56,3 57,7 59,2 60,5 2,9%TOTAL 3.497 3.800 4.011 4.312 4.607 4.905 5.239 5.494 5.745 5.960 6,6%% Change 9,0% 8,7% 5,5% 7,5% 6,8% 6,5% 6,8% 4,9% 4,6% 3,8%
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汽车电子相关的介绍资料来源: Strategy Analytics Oct 2015
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022CAAGR
2014-2019CURRENT 26,2 39,4 53,9 66,6 79,1 92,8 107,6 122,2 139,9 152,0 22,3%CAPACITIVE FIELD 4,0 4,6 5,1 5,9 6,6 7,4 8,2 9,0 9,9 10,7 12,3%NOX 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -OCCUPANT DETECTION 2,7 2,8 3,2 3,7 4,3 5,1 5,9 6,5 7,2 7,8 15,8%ENGINE OIL LEVEL 0,8 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,6 1,8 1,8 1,9 10,6%ENGINE OIL QUALITY 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 4,8%OPTO 99,3 108,7 115,4 125,3 135,3 145,0 154,9 163,5 172,4 180,8 7,3%AIR QUALITY 5,1 5,7 6,2 6,9 7,7 8,4 9,1 9,9 10,5 11,0 10,0%ADAS 23,2 33,3 42,9 54,5 66,9 80,5 93,4 105,7 118,4 130,2 22,9%PRESSURE 453,6 502,3 541,8 589,4 644,6 700,0 764,7 809,5 850,5 879,9 8,8%YAW 68,6 77,4 85,2 95,7 106,0 116,0 126,8 135,1 142,4 148,6 10,4%ROLLOVER 35,5 39,8 43,2 47,0 52,2 56,1 60,1 63,3 66,2 69,0 8,6%LOAD 0,7 0,8 0,9 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 8,5%TORQUE 28,9 34,5 39,0 43,8 48,7 53,8 59,7 65,0 67,2 69,0 11,6%OXYGEN 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -POSITION 720,2 791,0 835,3 896,2 954,1 1.008,7 1.070,5 1.122,2 1.171,1 1.214,5 6,2%HUMIDITY 4,1 4,8 5,4 6,1 6,8 7,6 8,4 8,9 9,4 9,7 11,9%TEMPERATURE 162,1 181,1 198,1 221,1 245,1 270,6 298,6 322,0 345,9 362,4 10,5%ACCELEROMETER 496,4 535,2 562,7 603,3 649,9 699,4 756,7 795,9 832,9 860,7 7,2%SPEED 388,0 422,1 438,6 465,8 493,6 517,3 545,6 565,3 582,7 598,1 5,3%MASS AIR FLOW 13,6 15,7 17,5 19,3 21,3 23,4 26,0 28,3 30,8 33,3 10,6%TOTAL 2.533 2.800 2.995 3.253 3.525 3.795 4.099 4.335 4.561 4.741 7,9%% Change 13,4% 10,5% 7,0% 8,6% 8,4% 7,7% 8,0% 5,8% 5,2% 4,0%
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• 由于增加汽车的电子化,电磁干扰(EMI)已成为日益严重的问题。
• 尤其在电动汽车车身的前后部之间布满了大量高载电流的电线。
• 内置杂散磁场消除功能的位置传感器,可在普遍存在非常噪杂EMI的汽车应用环境中提供高精度的测量值。
杂散磁场干扰位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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杂散磁场来源位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
• 电动机产生的磁场影响角度传感器的精度
• 汽车的动力系统部分或全部电力化
• 电池电缆的连接对加速踏板及电动方向盘产生负面影响。
• 高电压的电动汽车和混合动力电力线上更容易产生巨大的杂散磁场,并足够影响关键安全系统,如刹车系统。
• 大电磁感应场合—如鼗来的电动汽车充电站。
• 能够对汽车上所有的车载传感器产生不利的影响。
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• 内置杂散磁场免疫功能确保对静态和动态寄生的杂散磁场产生抵抗。
• 无论多强多远的磁场,差分输入的原理可确保不受任何杂散磁场的影响甚至在最噪杂的EMI环境,也可达到高精度的测量。
• 在内置杂散磁场消除功能上无需额外的成本。
• 在保持传感系统性能同时,减少了系统成本。
• 不需要使用磁屏蔽、更强磁铁或采用窄传感器和磁铁间隙,符合最新的磁场免疫标准 ISO11452-8
内置杂散磁场消除功能位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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动态角度误差补偿 (DAEC™) 位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
• 这是第一次,高速电机设计师直接可以使用稳健紧凑磁位置传感器,而不需用单片机或DSP来依据电机轴转速来执行复杂的角度误差补偿。
• 新带有动态角度误差(DAEC™)的磁位置传感器功能,依据电机轴RPM转速传递完美精度和提高了信号性能
• 传感器高精度可在高速无刷电机(BLDC)实现最佳的电流换向,确保更高的力矩和效率,更低的力矩波动和平滑运行。
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角度精度: 理想边坡
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角度精度: 非线性失真(INL)误差
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角度精度: 噪声误差 / 抖动效应
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角度精度: 系统传输延迟
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DAE – 动态角度误差速度对应角度误差
Speed: 10 RPMDAE = 0,12°
Speed: 1.000 RPMDAE = 1,20°Speed: 10.000 RPMDAE = 12,0°
100µs
0.02.04.06.08.0
10.012.014.016.018.020.0
- 5,000 10,000 15,000
动态角度误差 [度]
Angle Error [deg]
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内置动态角度误差补偿
动态角度误差
磁位
置传
感系统
• 现有市场上磁位置传感器存在由于信号处理中这生的延迟。
• 这导制一个错误的角度位置输出,特别是在高速旋转下。
• 这个值称为取决于转速的动态角度误差。
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内置动态角度误差补偿
动态角度误差
需要外置硬件软件补偿
磁位
置传
感系统
• 额外的硬件芯片可计算这个误差,并用软件来校正输出角度。
• 因此需要许多软件开发工作。
• 但这还未达到 DAEC™的输出性能。
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内置动态角度误差补偿
动态角度误差
内置硬件补偿!无需软件!
需要外置硬件软件补偿
磁位
置传
感系统
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内置动态角度误差补偿
内置硬件补偿!无需软件!
磁位
置传
感系统
• DAEC™ 动态角度误差补偿是新一代位置传感器的独特功能。
• 单芯片方案,动态角度误差可降至几乎为零。
• 当然这个器件保留了全部非接触传感器的优点,并在不同的转速下达到高精度。
• 同时这个器件易于使用,简单编程方式,减少开发成本,以便产品更快上市。
在高速运转下减少了延迟和快速更新率 (1.9μs)
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• 电机是电力中最大的消费者. • 依据车际能源机构分析,电机导制大约2/3的工
业电力消费和大约45%全球电力消费
资料来源: CleanTechnica, abb.com/energyefficiency
电机使用了全球大多数电力位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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• 美国CAFÉ标准要求OEM在2025年提高新车燃料效率至 56.2 mpg。 (CAFE – 公司平均燃料经济性)
• 欧州CAFÉ标准要求OEM在2025年提高新车燃料效率至60.6 mpg ≈ 26 km/l。在2025年前转换 CO2排放至70 g/km。
商业需要 – 改善燃料效率和排放位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
资料来源: Center for Climate and Energy Solutions
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新数字输出接口位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
• 带有新数字输出接口的位置传感器传送灵活可靠的通讯标准,来提高汽车安全和性能。
• 例如SENT (单端边缘耦合传输) 接口在传感器和ECU之间实现低成本的数字传输替换模拟传感器方案。
• 同样地, PSI5 (周边传感接口) 一个通用、高可靠性、最低成本的汽车传感接口。
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优点:
• 替换模拟协议(传感器和ECU之间无额外器件)• EMC稳定
• 真正的数字接口
可解决客户问题
• 低成本
• 功能性安全
• 易于使用
为什么选SENT接口灵活可靠的汽车传感器应用的通讯标准
SENT (单端边缘耦合传输) 接口在传感器和ECU之间实现低成本的数字传输替换模拟传感器方案
Confidential © ams AG 2015Page 27
PSI5 (周边传感接口) 一个通用、高可靠性、最低成本的汽车传感接口
降成本 :• 总线能力 (一个总线最多可使用3个传感器)• 双向通讯
• 节省线缆的使用
• 减少连接器的脚位数,只需要2线。
可靠性:• 传办理高精确度的传感数据
• 高EMC稳定性
OEM和ISO26262:• PSI5接口成为ISO2626越来越重要项目,以达到高ASIL等级(相关可靠性)
• PSI5对于传感器与ECU距离>0.5米应用是必须。
为什么选周边传感器接口 PSI5灵活可靠的汽车传感器应用的通讯标准
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系统级的封装 (SiP) 位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
• SiP集成传感晶元和必须的分立去耦元件,符合汽车环境ESD和EMC要求。
• 模组内篏电容器
• 标准引脚 (250µm)• 自动成型器件
• AEC Q100认证等级0 • EMC优化引脚布局
• 新封装技术,新ams标准封装
用一个完整系统级封装的磁位置传感器,从而摆脱了PCB的装配。
Confidential © ams AG 2015Page 29
为什么选系统级封装Addressing the automotive industry's demands for more electrical, mechanical and environmental robustness
• 通常传感器被放置在一个电路板上,外接电阻、电容及任何保护器件。
• 对于SiP,传感器单元和相连的外部被动器件被集成在一个小壳内,这减少了封装尺寸,制造厂家不再需要化费成本开发和组装PCB。.
• 总之,SiP封装只有典型PCB结构的一小部分。
• 另外,它减少了PCB板的成本。3个脚位操作起来也更容易—仅需要焊接。
Confidential © ams AG 2015Page 30
为什么选系统级封装Addressing the automotive industry's demands for more electrical, mechanical and environmental robustness
• 因为Sip是一个模块封装的完整电路,它不太敏感于不正确的放置位置。.
• SiP适应完全被注塑封闭的外壳中,这个密封的装配可阻止液体的渗入,适合最恶劣的环境。
• 另外,SiP方便安装和定位。如SiP可沿二个轴弯曲,允许不同的定位
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典型的SiP使用– 踏板位置传感Addressing the automotive industry's demands for more electrical, mechanical and environmental robustness
通常这是一个基于PCB的设计,PCB决定了外形和外壳的尺寸。
用SiP的产品设计更纤细和更高信价比,将所有必须元件整合进单个封装之中。
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汽车安全完整性等级(ISO 26262 标准)位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
磁位置传感器完全符合ISO26262标准(汽车安全完全性等级)并按照SEooC(安全元素的含量)的规格开发,支持内置安全机制和符合任何安全关键应用的ASIL级别。
• AEC-Q100汽车等级认可Automotive grade qualified• 安全流程并行于开发流程
• 独立公司的安全手册认证
• 安全指导和指南,在不同应用达到ASIL值• FMEDA, FIT率, 应用手册
• 专用的安全管理者
• 晶元叠层技术(完全冗余),达到ASIL-D (最高安全等级项目)的要求
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• 传感是汽车电子系统的重要功能。位置传感器是有关汽车传感需求中最大的市场分类
• 内置杂散磁场消除功能的位置传感器,可在普遍存在非常噪杂EMI的汽车应用环境中提供高精度的测量值。
• 这是第一次,高速电机设计师直接可以使用稳健紧凑磁位置传感器,而不需用单片机或DSP来依据电机轴转速来执行复杂的角度误差补偿.
总结 (1)位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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• SENT (单端边缘耦合传输) 接口在传感器和ECU之间实现低成本的数字传输替换模拟传感器方案
• PSI5 (周边传感接口) 一个通用、高可靠性、最低成本的汽车传感接口
• 对于SiP,传感器单元和相连的外部被动器件被集成在一个小壳内, 这减少了封装尺寸,制造厂家不再需要化费成本开发和组装PCB
• 磁位置传感器完全符合ISO26262标准(汽车安全完全性等级)并按照SEooC(安全元素的含量)的规格开发,支持内置安全机制和符合任何安全关键应用的ASIL级别
总结 (2)位置传感集成电路为汽车应用创新和创造价值
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谢谢各位!
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