車規級芯片：汽車電子系統功能組合網絡與芯片清洗劑介紹
發布日期：2023-06-19
發布者：合明科技
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1. 有線通信芯片介紹隨著信息、計算和芯片技術的迅速發展，外界信息交互需求日益增長，車內電子系統數量不斷增加，汽車電子系統變得越來越復雜，各個系統間的信息傳遞需要通信網絡的有力支撐。根據通信連接形態的不同，汽車通信應用分為無線通信和有線通信。無線通信主要用于實現V2V（汽車與汽車互聯）、或者V2X（汽車與用戶設備互聯，或汽車與其它設備，如通信基站和衛星的通信等連接）。有線通信主要用于車內設備之間的各種數據傳輸。
有線通信指汽車內主要通過有線連接實現的通訊技術，通過不同的線纜，有線通訊將車內傳感器、控制器、執行器和決策控制等不同模塊節點連接，并構成了車載網絡拓撲結構，從而實現模塊之間的數據交換。根據其傳輸速率的差異，可將車載有線通信分為低速總線、高速總線通信、視頻傳輸和其它應用等。傳統概念的低速總線通信一般包括了：CAN或者LIN總線（國內芯力特和北京君正均有此類芯片）、FlexRay、MOST等技術，其總線帶寬不超過20Mbps；高速總線一般包括：點對點加上交換芯片的技術（如車載以太網等，國內如東土科技公司），純點對點結構（如視頻傳輸使用的FPD Link等技術，國內如瑞發科公司提供的低頻高頻視頻傳輸芯片等）、混合總線（既單個網絡總線上可以同時透傳CAN、LIN、以太網數據的技術，如北京君正公司的G.vn技術），USB傳輸等不同的通信技術，其速率范圍在100Mbps或者幾個Gbps甚至更高；此外，國內外還有一些芯片公司推出了具有創新性的高速車用有線網絡通訊芯片，比如符合歐美韓最新充電樁標準的GreenPHY要求車內和充電樁上都包含支持此標準的芯片。為了提高車內電子模塊的集成度，適應EE架構由分布式向集中式架構演變的趨勢，部分公司已經開始研制功能組合網絡功能的車規級芯片。比如：（1）融合車規以太網和CAN、LIN的點對點通訊技術：物芯科技的KD6630車規級高速高可靠通訊芯片，將以太網高速總線與CAN/LIN低速總線相融合，通過內部獨立CAN交換子系統，實現了CAN/CAN_FD總線之間直接在硬件層進行報文路由。KD6630 集成雙核800MHz通用CPU SOC系統(稱為CMS子系統)，采用28nm車規級工藝進行流片，支持32Gbps線速交換能力，可靠性設計滿足AEC-Q100 Grade2，符合ISO26262:2018功能安全，并通過了CQC（中國質量認證中心）的功能安全流程認證及功能安全產品認證。因為LIN和CAN節點處總是要有一顆MCU，因此給MCU供電的電源芯片（比如LDO或者DC/DC）可以和CAN或者LIN的收發器集成在同一顆芯片上，這樣汽車電子模塊的設計可以節省PCB板上的面積，同時可以提高系統集成性和可靠性。于是，這種芯片被產業內通俗地稱為SBC：即是System Base Chip的縮寫，中文簡稱為系統基礎芯片。（3）可以透傳CAN、LIN、車規以太網的總線型通訊技術：北京君正的G.vn技術，可以支持總線帶寬約為110Mbps，節點數8-10個，通過非屏蔽雙絞線連接，最遠節點15米。東土科技也于2020年正式量產了符合工業通信網絡國際標準IEC 61158 Type 28（AUTBUS）的寬帶總線芯片KY3001系列，該芯片采用55nm工藝制造設計，基于該芯片可構建多達254個節點的線性或環形總線網絡，通信帶寬可達100Mbps@500m，數據分發周期最短為16微秒，并支持加密功能，基于AUTBUS虛擬化技術，實現多條總線以及車載以太網等多業務數據融合通信，可以在減少車載網絡布線和連接器的前提下，提高車載通信網絡帶寬，增強網絡抗干擾能力。2.車內低速總線：CAN、LIN、FLexRay、MOST
CAN (Controller Area Network, 控制器局域網絡)采用非屏蔽雙絞線來傳輸信號，是一種采用并行方式連接各個節點的總線，已經成為通用的低速車載總線標準。為了滿足汽車中不同的系統對于網絡速率的不同要求，CAN總線分為高速（速率5kbps到1Mbps）和低速（5kbps到125kbps），現在廣泛使用CAN協議的升級版CAN FD，可以達到8Mbps, 升級了協議，物理層未改變；CAN與CAN FD主要區別：傳輸速率不同、數據長度不同，幀格式不同，ID長度不同，可以在滿足不同要求的同時實現最合理的性價比。高速CAN傳輸速率在5kbps~1Mbps之間，最大總線節點數約10個，一般應用在車內發動機控制、驅動系統、ABS和ESP、汽車儀表、傳感器等模塊上，要求傳感器信號的回傳以及決策控制動作信號的下發都快速、穩定地到達。低速CAN，其傳輸速率在5kbps~125kbps之間，最大總監節點數約24個，一般應用在座艙內，比如車身舒適電子系統（空調、座椅，車窗、折疊后視鏡、方向盤高低調節等），這些應用對實時性要求不高。CAN的拓撲結構是總線型結構，不需要主控制器，所有CAN節點直接連接到CAN總線上，每個節點都能接受和發送數據。CAN總線上的信號傳輸均通過物理層CAN通訊芯片進行，一個CAN節點通常由三個主要芯片構成，微處理器（MCU）、CAN控制器（集成在MCU中或者是在MCU外面單獨的芯片）、CAN收發器（收發器芯片只能是單獨的芯片，因為其工作環境電壓特點，它采用集成電路制造中的混合高壓工藝制造的模擬芯片，它不是一顆純數字芯片）。MCU用來處理將要發送和已經接受的數據信息并做出決策；CAN控制器負責基于CAN協議完成發送和接收的高低電平 的生成，將二進制數字信號轉換為數據傳輸所需的位電流，然后發送給CAN收發器；CAN收發器將位電流信號增強，產生差分信號，并以串行方式發送到CAN總線（雙絞線）上。CAN總線芯片用量較大，2016年前1輛車上有20~25個低速CAN節點，9~15個高速CAN節點，目前一輛乘用車的CAN節點數量超過50個。LIN總線通過單根導線實現總線通訊，其相對CAN總線成本低，傳輸速率低，它廣泛應用于汽車機電系統各個領域，例如車門模塊、車窗驅動、后視鏡調節、空調、座椅電機調整（替代低速CAN以便降低成本）等。LIN總線主要用于連接車輛內部那些對數據傳輸要求不高的節點，其總線的總的速率最高只能到20kbps，典型的LIN網絡最多可有16個節點。其節點分為：主節點和從節點。在這條單根導線互聯的總線上，主節點基于時間同步原則給出控制信號，從節點接收控制信號做出相應的響應。這種主從式訪問機制，不需要總線仲裁和沖突處理。LIN相當于汽車上可靠性較高的串口，與CAN總線功能/成本互補，綜合運用兩者，可構造汽車內層次分級的網絡架構。一個LIN節點通常由三個主要芯片部分構成，微處理器（MCU）、LIN控制器（集成在MCU中或者是在MCU外面單獨的芯片）、LIN收發器（收發器芯片只能是單獨的芯片，因為其工作環境電壓特點，它采用集成電路制造中的混合高壓工藝制造的模擬芯片，它不是一顆純數字芯片）。· MCU用來處理將要發送和已經接受的數據信息并作出決策；· LIN控制器負責基于協議完成發送和接收的高低電平的生成，然后發送給LIN收發器；· LIN收發器將位電流信號增強，并以串行方式發送總線上。FlexRay是一種現場總線，用于汽車的控制技術。FlexRay設計的目的就是為了具有可靠傳輸特性、高傳輸率以及高容錯設計。FlexRay由寶馬、飛利浦、飛思卡爾和博世等公司共同制定，傳輸速率快、容錯性好，但是成本高昂，過去多用于高檔車型中的動力總成系統和主動安全系統，以及沒有機械備份的線控系統，被動安全系統、車身電子等。由于其成本高，其應用并不廣泛，目前國內的新車型均已不首選FlexRay技術。因此，除以下簡述，下文對FlexRay芯片及其使用、市場不進行展開描述。每個FlexRay節點都包括控制器部分和驅動器部分。控制器部分包括一個微控制單元MCU(Micro Control Unit)和一個通信控制器CC(Communication Controller)。驅動器部分通常包括總線驅動器BD(Bus Driver)和總線監控器BG(Bus Guardian)，其中總線監控器為可選擇組件。主控芯片MCU 主要負責計算、信息的處理和發送，通信控制器CC負責FlexRay相關協議的實現，總線驅動器BD負責FlexRay物理層的實現。FlexRay在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條的數據速率是 10MBit/s，因此FlexRay總數據速率可達到 20Mbit/秒。因此，應用在車載網絡，FlexRay的網絡帶寬可能是CAN的20倍之多。MOST(Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統傳輸總線，方便為車載多媒體系統組件提供連接。MOST 總線是由MOST聯盟開發的，主要應用于汽車多媒體和影音系統中，MOST聯盟是1998年由BMW、戴姆勒克萊斯勒、哈曼等公司建立。MOST總線支持多達64個設備的邏輯連接，常用的數據傳輸率為24.8Mbps，它是一種基于人造纖維或者玻璃光纖的網絡，采用環形結構，每個設備通過相應的入口或出口分別與前一個或后一個設備環狀連接。其中有一個設備作為時序主控（Timing Master），能產生數據傳輸所需的數據幀，而其他設備通過數據幀與時序主控同步。隨著目前車內多媒體和影音系統對網絡傳輸帶寬要求更高，車規以太網等技術已經取代了MOST通訊技術，因此MOST總線在目前國內的新車型均已不被選用。因此，本書中對MOST芯片及其使用、市場不進行展開描述。3. 車內高速總線：以太網等（PHY芯片、Switch）
（1）車載以太網芯片
車載以太網芯片主要包括主芯片（包含車載以太網的MAC控制器等）、PHY芯片（車載以太網的物理接口芯片）、以及相應的Switch交換芯片等若干種類。MAC和Switch都有可能被集成在主芯片中，以便實現不同通訊技術的網關或者路由功能。因需要適應車內的噪聲環境和抗干擾，同時減輕線材和接頭的重量并降低成本，車載以太網和傳統以太網的具體協議內容并不完全相同。比如，車內以太網的100Mbps版本必須支持非屏蔽雙絞線，而千兆甚至以上的版本就需要特殊的線材和接頭。以太網電路接口主要由物理層接口PHY芯片和MAC控制器兩大部分構成。其中，大部分處理器（MCU）已包含MAC控制，而PHY作為獨立的芯片用來提供以太網的接入通道，起到連接處理器與通信介質的作用。同時，PHY芯片的獨立性亦使得OEM或者控制器供應商可自由選擇供應商，由此也使得PHY芯片成為因車載以太網崛起所催生的全新汽車芯片賽道。以太網PHY主要應用位置包括中央計算系統、ADAS系統以及IVI系統。除了在計算單元使用外，座艙部分也是大量使用，奔馳的S級座艙使用4片Marvell的88EA6321，至少4個PHY。汽車以太網Switch交換芯片主要用于傳感器、ADAS和IVI等系統，在中央網關和每一個分域網關也需要一個以太交換機，ADAS部分可能還需要一個PCIe交換機。據測算2020 年單車車載以太網節點約為6個。隨著車載以太網滲入率的提高和E/E架構的進展，未來以太網節點芯片的需求也將增加。
※資料來源：中金、公開資料、參編單位提供
由于使用汽車的用戶設備上，擁有的USB接口特別普遍，因此車內的MCU有時也需要提供USB2.0甚至USB3.0接口，實現符合USB標準的數據傳輸，以方便用戶使用。但是由于汽車電子電氣環境的特殊要求，車規級USB芯片需要支持不同的線纜，更好的抗干擾能力和更長的傳輸距離。比如：可以通過以太網電纜、同軸電纜或標準USB電纜等各種電纜，以480Mbit/s的速度，將USB 2.0通信距離擴展到50米。適用于擴展USB2的應用范圍：攝像頭，硬盤驅動器、閃存驅動器、播放器等。出于對智能化汽車視覺的需要，配備十多個高清攝像頭的車型已屢見不鮮，未來將有增無減，其中高清視頻傳輸芯片需要滿足視覺無損和極低延時需要，不僅應用于視頻采集，也會應用于視頻顯示。LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號）是一種低壓差分高速差分信號技術，是目前流行的車載高清視頻傳輸技術，國外公司主要通過高頻技術（如FPD Link）實現無損視頻傳輸，國內有公司提供原創國產化的低頻無損視頻壓縮傳輸技術具有顯著的后發優勢。
LVDS 信號傳輸一般由三部分組成：差分信號發送器，差分信號互聯器，差分信號接收器。差分信號發送器：將非平衡傳輸的TTL 信號轉換成平衡傳輸的LVDS 信號。差分信號接收器：將平衡傳輸的LVDS 信號轉換成非平衡傳輸的TTL 信號。
4.芯片清洗劑
芯片封裝清洗：合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。
水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。
污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。
這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。
推薦使用合明科技水基清洗劑產品。
Tips：
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以上為本公司一些經驗的累積，因工藝問題內容廣泛，沒有面面俱到，只對常見問題作分析，隨著電子產業的不斷更新換代，新的工藝問題也不斷出現，本公司自成立以來不斷的追求產品的創新，做到與時俱進，熟悉各種生產復雜工藝，能為各種客戶提供全方位的工藝、設備、材料的清洗解決方案支持。
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