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车规级芯片:汽车电子系统功能组合网络与芯片清洗剂介绍

发布日期:2023-06-19 发布者:合明科技 浏览次数:5025
1. 有线通信芯片介绍随着信息、计算和芯片技术的迅速发展,外界信息交互需求日益增长,车内电子系统数量不断增加,汽车电子系统变得越来越复杂,各个系统间的信息传递需要通信网络的有力支撑。根据通信连接形态的不同,汽车通信应用分为无线通信和有线通信。无线通信主要用于实现V2V(汽车与汽车互联)、或者V2X(汽车与用户设备互联,或汽车与其它设备,如通信基站和卫星的通信等连接)。有线通信主要用于车内设备之间的各种数据传输。

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※资料来源:公开资料、编写单位提供


有线通信指汽车内主要通过有线连接实现的通讯技术,通过不同的线缆,有线通讯将车内传感器、控制器、执行器和决策控制等不同模块节点连接,并构成了车载网络拓扑结构,从而实现模块之间的数据交换。根据其传输速率的差异,可将车载有线通信分为低速总线、高速总线通信、视频传输和其它应用等。传统概念的低速总线通信一般包括了:CAN或者LIN总线(国内芯力特和北京君正均有此类芯片)、FlexRay、MOST等技术,其总线带宽不超过20Mbps;高速总线一般包括:点对点加上交换芯片的技术(如车载以太网等,国内如东土科技公司),纯点对点结构(如视频传输使用的FPD Link等技术,国内如瑞发科公司提供的低频高频视频传输芯片等)、混合总线(既单个网络总线上可以同时透传CAN、LIN、以太网数据的技术,如北京君正公司的G.vn技术),USB传输等不同的通信技术,其速率范围在100Mbps或者几个Gbps甚至更高;此外,国内外还有一些芯片公司推出了具有创新性的高速车用有线网络通讯芯片,比如符合欧美韩最新充电桩标准的GreenPHY要求车内和充电桩上都包含支持此标准的芯片。
为了提高车内电子模块的集成度,适应EE架构由分布式向集中式架构演变的趋势,部分公司已经开始研制功能组合网络功能的车规级芯片。比如:
(1)融合车规以太网和CAN、LIN的点对点通讯技术:
物芯科技的KD6630车规级高速高可靠通讯芯片,将以太网高速总线与CAN/LIN低速总线相融合,通过内部独立CAN交换子系统,实现了CAN/CAN_FD总线之间直接在硬件层进行报文路由。KD6630 集成双核800MHz通用CPU SOC系统(称为CMS子系统),采用28nm车规级工艺进行流片,支持32Gbps线速交换能力,可靠性设计满足AEC-Q100 Grade2,符合ISO26262:2018功能安全,并通过了CQC(中国质量认证中心)的功能安全流程认证及功能安全产品认证。
(2)CAN/LIN SBC芯片:
因为LIN和CAN节点处总是要有一颗MCU,因此给MCU供电的电源芯片(比如LDO或者DC/DC)可以和CAN或者LIN的收发器集成在同一颗芯片上,这样汽车电子模块的设计可以节省PCB板上的面积,同时可以提高系统集成性和可靠性。于是,这种芯片被产业内通俗地称为SBC:即是System Base Chip的缩写,中文简称为系统基础芯片。
(3)可以透传CAN、LIN、车规以太网的总线型通讯技术:
北京君正的G.vn技术,可以支持总线带宽约为110Mbps,节点数8-10个,通过非屏蔽双绞线连接,最远节点15米。
(4)AUTBUS芯片:
东土科技也于2020年正式量产了符合工业通信网络国际标准IEC 61158 Type 28(AUTBUS)的宽带总线芯片KY3001系列,该芯片采用55nm工艺制造设计,基于该芯片可构建多达254个节点的线性或环形总线网络,通信带宽可达100Mbps@500m,数据分发周期最短为16微秒,并支持加密功能,基于AUTBUS虚拟化技术,实现多条总线以及车载以太网等多业务数据融合通信,可以在减少车载网络布线和连接器的前提下,提高车载通信网络带宽,增强网络抗干扰能力。

2.车内低速总线:CAN、LIN、FLexRay、MOST

(1)CAN总线
CAN (Controller Area Network, 控制器局域网络)采用非屏蔽双绞线来传输信号,是一种采用并行方式连接各个节点的总线,已经成为通用的低速车载总线标准。为了满足汽车中不同的系统对于网络速率的不同要求,CAN总线分为高速(速率5kbps到1Mbps)和低速(5kbps到125kbps),现在广泛使用CAN协议的升级版CAN FD,可以达到8Mbps, 升级了协议,物理层未改变;CAN与CAN FD主要区别:传输速率不同、数据长度不同,帧格式不同,ID长度不同,可以在满足不同要求的同时实现最合理的性价比。
高速CAN传输速率在5kbps~1Mbps之间,最大总线节点数约10个,一般应用在车内发动机控制、驱动系统、ABS和ESP、汽车仪表、传感器等模块上,要求传感器信号的回传以及决策控制动作信号的下发都快速、稳定地到达。低速CAN,其传输速率在5kbps~125kbps之间,最大总监节点数约24个,一般应用在座舱内,比如车身舒适电子系统(空调、座椅,车窗、折叠后视镜、方向盘高低调节等),这些应用对实时性要求不高。
CAN的拓扑结构是总线型结构,不需要主控制器,所有CAN节点直接连接到CAN总线上,每个节点都能接受和发送数据。CAN总线上的信号传输均通过物理层CAN通讯芯片进行,一个CAN节点通常由三个主要芯片构成,微处理器(MCU)、CAN控制器(集成在MCU中或者是在MCU外面单独的芯片)、CAN收发器(收发器芯片只能是单独的芯片,因为其工作环境电压特点,它采用集成电路制造中的混合高压工艺制造的模拟芯片,它不是一颗纯数字芯片)。
MCU用来处理将要发送和已经接受的数据信息并做出决策;
CAN控制器负责基于CAN协议完成发送和接收的高低电平 的生成,将二进制数字信号转换为数据传输所需的位电流,然后发送给CAN收发器;
CAN收发器将位电流信号增强,产生差分信号,并以串行方式发送到CAN总线(双绞线)上。
CAN总线芯片用量较大,2016年前1辆车上有20~25个低速CAN节点,9~15个高速CAN节点,目前一辆乘用车的CAN节点数量超过50个。
(2)LIN总线
LIN总线通过单根导线实现总线通讯,其相对CAN总线成本低,传输速率低,它广泛应用于汽车机电系统各个领域,例如车门模块、车窗驱动、后视镜调节、空调、座椅电机调整(替代低速CAN以便降低成本)等。
LIN总线主要用于连接车辆内部那些对数据传输要求不高的节点,其总线的总的速率最高只能到20kbps,典型的LIN网络最多可有16个节点。其节点分为:主节点和从节点。在这条单根导线互联的总线上,主节点基于时间同步原则给出控制信号,从节点接收控制信号做出相应的响应。这种主从式访问机制,不需要总线仲裁和冲突处理。LIN相当于汽车上可靠性较高的串口,与CAN总线功能/成本互补,综合运用两者,可构造汽车内层次分级的网络架构。
一个LIN节点通常由三个主要芯片部分构成,微处理器(MCU)、LIN控制器(集成在MCU中或者是在MCU外面单独的芯片)、LIN收发器(收发器芯片只能是单独的芯片,因为其工作环境电压特点,它采用集成电路制造中的混合高压工艺制造的模拟芯片,它不是一颗纯数字芯片)。
· MCU用来处理将要发送和已经接受的数据信息并作出决策;
· LIN控制器负责基于协议完成发送和接收的高低电平的生成,然后发送给LIN收发器;
· LIN收发器将位电流信号增强,并以串行方式发送总线上。
(3)FlexRay
FlexRay是一种现场总线,用于汽车的控制技术。FlexRay设计的目的就是为了具有可靠传输特性、高传输率以及高容错设计。FlexRay由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定,传输速率快、容错性好,但是成本高昂,过去多用于高档车型中的动力总成系统和主动安全系统,以及没有机械备份的线控系统,被动安全系统、车身电子等。由于其成本高,其应用并不广泛,目前国内的新车型均已不首选FlexRay技术。因此,除以下简述,下文对FlexRay芯片及其使用、市场不进行展开描述。
每个FlexRay节点都包括控制器部分和驱动器部分。控制器部分包括一个微控制单元MCU(Micro Control Unit)和一个通信控制器CC(Communication Controller)。驱动器部分通常包括总线驱动器BD(Bus Driver)和总线监控器BG(Bus Guardian),其中总线监控器为可选择组件。主控芯片MCU 主要负责计算、信息的处理和发送,通信控制器CC负责FlexRay相关协议的实现,总线驱动器BD负责FlexRay物理层的实现。FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信,每一条的数据速率是 10MBit/s,因此FlexRay总数据速率可达到 20Mbit/秒。因此,应用在车载网络,FlexRay的网络带宽可能是CAN的20倍之多。
(4)MOST
MOST(Media Oriented System Transport) 面向媒体的系统传输总线,方便为车载多媒体系统组件提供连接。MOST 总线是由MOST联盟开发的,主要应用于汽车多媒体和影音系统中,MOST联盟是1998年由BMW、戴姆勒克莱斯勒、哈曼等公司建立。
MOST总线支持多达64个设备的逻辑连接,常用的数据传输率为24.8Mbps,它是一种基于人造纤维或者玻璃光纤的网络,采用环形结构,每个设备通过相应的入口或出口分别与前一个或后一个设备环状连接。其中有一个设备作为时序主控(Timing Master),能产生数据传输所需的数据帧,而其他设备通过数据帧与时序主控同步。
随着目前车内多媒体和影音系统对网络传输带宽要求更高,车规以太网等技术已经取代了MOST通讯技术,因此MOST总线在目前国内的新车型均已不被选用。因此,本书中对MOST芯片及其使用、市场不进行展开描述。

3. 车内高速总线:以太网等(PHY芯片、Switch)

(1)车载以太网芯片



车载以太网芯片主要包括主芯片(包含车载以太网的MAC控制器等)、PHY芯片(车载以太网的物理接口芯片)、以及相应的Switch交换芯片等若干种类。MAC和Switch都有可能被集成在主芯片中,以便实现不同通讯技术的网关或者路由功能。
因需要适应车内的噪声环境和抗干扰,同时减轻线材和接头的重量并降低成本,车载以太网和传统以太网的具体协议内容并不完全相同。比如,车内以太网的100Mbps版本必须支持非屏蔽双绞线,而千兆甚至以上的版本就需要特殊的线材和接头。
以太网电路接口主要由物理层接口PHY芯片和MAC控制器两大部分构成。其中,大部分处理器(MCU)已包含MAC控制,而PHY作为独立的芯片用来提供以太网的接入通道,起到连接处理器与通信介质的作用。同时,PHY芯片的独立性亦使得OEM或者控制器供应商可自由选择供应商,由此也使得PHY芯片成为因车载以太网崛起所催生的全新汽车芯片赛道。以太网PHY主要应用位置包括中央计算系统、ADAS系统以及IVI系统。除了在计算单元使用外,座舱部分也是大量使用,奔驰的S级座舱使用4片Marvell的88EA6321,至少4个PHY。
汽车以太网Switch交换芯片主要用于传感器、ADAS和IVI等系统,在中央网关和每一个分域网关也需要一个以太交换机,ADAS部分可能还需要一个PCIe交换机。据测算2020 年单车车载以太网节点约为6个。随着车载以太网渗入率的提高和E/E架构的进展,未来以太网节点芯片的需求也将增加。
车载以太网的应用


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 ※资料来源:中金、公开资料、参编单位提供


(2)USB
由于使用汽车的用户设备上,拥有的USB接口特别普遍,因此车内的MCU有时也需要提供USB2.0甚至USB3.0接口,实现符合USB标准的数据传输,以方便用户使用。但是由于汽车电子电气环境的特殊要求,车规级USB芯片需要支持不同的线缆,更好的抗干扰能力和更长的传输距离。比如:
可以通过以太网电缆、同轴电缆或标准USB电缆等各种电缆,以480Mbit/s的速度,将USB 2.0通信距离扩展到50米。适用于扩展USB2的应用范围:摄像头,硬盘驱动器、闪存驱动器、播放器等。
(3)视频传输
出于对智能化汽车视觉的需要,配备十多个高清摄像头的车型已屡见不鲜,未来将有增无减,其中高清视频传输芯片需要满足视觉无损和极低延时需要,不仅应用于视频采集,也会应用于视频显示。
LVDS(Low Voltage Differential Signaling,低电压差分信号)是一种低压差分高速差分信号技术,是目前流行的车载高清视频传输技术,国外公司主要通过高频技术(如FPD Link)实现无损视频传输,国内有公司提供原创国产化的低频无损视频压缩传输技术具有显著的后发优势。


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※资料来源:公开资料、参编单位提供


LVDS 信号传输一般由三部分组成:差分信号发送器,差分信号互联器,差分信号接收器。差分信号发送器:将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的LVDS 信号。差分信号接收器:将平衡传输的LVDS 信号转换成非平衡传输的TTL 信号。


4.芯片清洗剂

芯片封装清洗:合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要,一旦选定,就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气,通电后发生电化学迁移,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,还有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物,到底哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分,焊后必然存在热改性生成物,这些物质在所有污染物中的占据主导,从产品失效情况来而言,焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必须进行严格的清洗,才能保障电路板的质量。

推荐使用合明科技水基清洗剂产品。


Tips:

【阅读提示】

以上为本公司一些经验的累积,因工艺问题内容广泛,没有面面俱到,只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断的追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,能为各种客户提供全方位的工艺、设备、材料的清洗解决方案支持。

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