TPMS提高汽车安全性.doc

1、TPMS 提高汽车安全性 上网时间：2006-11-07TPMS 对于提高汽车安全性带有举足轻重的影响。轮胎是汽车和路面唯一直接接触的部分。 轮胎过于膨胀或处于充气不足状态都会影响汽车安全性。有很多车祸都因轮胎出现状况而导致的。美国高速公路安全协会（NHTSA）也因此立法强制实施 TPMS。本文将探讨 TPMS 的主要要求和设计挑战。 胎压监测系统（TPMS）的要求和设计挑战 TPMS 系统的要求有：低功耗、在恶劣环境下高度运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限以及更长的工作寿命等。为实现 10 年使用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件。英飞凌已经推出了诸如SP30 和 SP35 的集成化

2、产品，以满足这些要求。 TPMS 的设计挑战 一旦安装好车轮模块，就不能更换电池，因为它们将与电子设备一起铸在同一个模块中。有了这一限制，在设计 TPMS 系统时，电源管理就成为一大挑战。 1) 软件算法在设计一个运行稳定、功效高的系统时，需要考虑的第一个因素就是软件。因为车轮模块通常是用微控制器来执行命令的，所以应采用一种智能化算法实现预期的功效。例如，每次都要将一个完整的 8-bit 参数传输到接收器吗？或者，传输一个 1-bit 参数低压报警信号是否更加有效？多长时间测量一次胎压？系统总是测量所有参数，还是对一个参数的测量次数比其它参数多？应由车轮模块执行参数计算还是接收器来执行？软件工

3、程师在设计 TPMS 系统时必须考虑这些问题。 2) 低频（LF ）接口使用低频功能是控制 TPMS 的非常有效的方法。在使用低频接口时，感应模块可以始终处于电源关闭模式，这样功耗最低。只有在收到唤醒信号后，传感器才会进行测量和数据传输。 除了降低功耗以外，低频接口还具备设计灵活性和其他一些优势。例如，低频通讯可使系统通过低频接口向微控制器发送特定命令，以对轮胎进行重新校准和定位。 3) 加速度计/滚动开关另一种降低功耗的方法是使用滚动开关来检测轮胎是静止的还是运行的。因此，运算可通过如下方式进行?只有当车辆运行时，才进行相应的检测和/或传输。 一些 TPMS 传感器（比如 SP30）集成了加

4、速度计，该加速度计是一种检测车轮旋转的高 G 传感器。因此，应用软件可以用这种方法编写?即当加速度计的读数低于某一水平时，表明车辆是静止的或者非常缓慢地行驶着，此时，TPMS 可停止运行或以很低的频率运行。一般的车辆在公路上行驶的平均时间大约为15%。考虑到这一点，这种设计方案可以大幅度降低 TPMS 的功耗。 4) 最后，通过选择低功耗元件并通过使用具有集成功能的元件来尽可能减少元件数量，可获得更高功率效率并降低系统总成本。 设计挑战?无线控制第一代 TPMS 发送器的设计采用 SAW 共振器的 ASK 调制技术来产生适当的发射频率。该 ASK 系统虽然非常廉价，但却容易受到由于车轮（发送器

5、安装在其上）旋转所导致的接收场强变化的影响。 出于这一原因，现在的 TPMS 都采用基于晶体振荡器的 FSK 调制方法和 PLL 合成器来产生中心频率和频率牵引。在许多 OEM 应用中，即使是在车轮高速旋转时，FSK 都具备可靠的射频通讯功能。 TPMS 系统技术 多年来，TPMS 技术发展迅速，有多种实现方式。有两种极具知名度的系统：直接 TPMS 系统和间接TPMS 系统。正在推出的混合 TPMS 系统结合了直接系统和间接系统的优势，是一种价格更低的替代方案。 间接 TPMS现在的间接 TPMS 是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。ABS 采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。当一个

6、轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。 这个比率可用下列等式来表达： 如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，指示灯无法识别是哪个轮胎处于低压状态。这个系统还有其它局限性，即当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。还有，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa (10 psi)的压降只会使直径减小 1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则（Final Ruling）

7、所规定的 25%原则。采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。 直接 TPMS直接 TPMS 采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器，然后进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。 显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直接 TPMS 可以链接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。 由于直接 TPMS 可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们就会检测出这种状态。当车辆的所有四个轮胎都处于低压状

8、态时也可以检测到。直接 TPMS 也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7 kPa (1.0 psi)的压降。 混合 TPMS为满足多轮压力检测要求，常规的间接 TPMS 需要在系统中安装两个额外的胎压传感器和一个射频接收器。胎压传感器要安装在车轮上，两个传感器呈对角安装。混合 TPMS 能够克服常规直接 TPMS 的局限性，这说明它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，这些轮胎中有一个带有直接气压传感器。和间接系统相似，当两个呈对角的轮胎（不带直接气压传感器）都处于低压状态时，系统只能检测到一个轮胎充气不足。当所有 4 个轮胎都处于低压状态时，系统也可以检测到

9、故障，因为系统安装了直接气压传感器。 这种方法可以降低系统成本。但就系统可靠性和灵活性而言，还是不够理想，并且不能全部定位欠压轮胎。随着技术的发展，直接 TPMS 系统已逐渐演变为 3 个主要系统类型，即主流型（低/中端）、带有自动定位功能的高端 TPMS 和结合 ESP/ABS 的 TPMS 系统。下表对各种系统类型进行概述： 情景 1： TPMS 配 ABS/ESP?间接系统许多 OEM 都从间接系统转向了直接系统，因为直接系统的总体成本降低了。间接系统有太多的技术局限性，并且要求非常严格的场地测试。由于间接系统在美国市场遭受了太多的索赔，所以通常仅限于欧洲使用。因此，其市场份额不足 10

10、%。 情景 2：主流（低/中端）TPMS? 直接系统正如其名字一样，覆盖低/中端细分市场的主流 TPMS 的市场份额到 2011 年将超过 50%。主流 TPMS 的市场规模，主要受美国立法的推动。我们预计，TPMS 在欧洲、亚太地区和日本市场规模会很小，这是由于额外的系统成本和公众对 TPMS 认知不足造成的。TPMS 系统通常是作为高端车型的选件提供的。增装的需求仍然很低，因为一般的车主对 TPMS 还不熟悉。 主流系统的主要推动因素是价格。OEM 需要一个能够满足美国高速公路安全协会（NHTSA）的各项要求，并且不至导致低/中端车型的价格增加太多的 TPMS 的系统。主流系统的基本功能可

11、以满足 NHTSA 的各项要求。但是，要知道，每个 OEM 都有自己的 TPMS 系统。TPMS 并不是一个商品市场！ 情景 3：高端 TPMS（自动定位）?直接系统高端 TPMS 是指将轮胎的自动定位功能集成于直接 TPMS 系统。轮胎的自动定位功能是指识别和区别 4个轮胎发送的信息。在这种情况下，比如，右前轮的气压，无需任何人为操作，即可被正确识别并显示出来。 如今的系统主要是在翼板中安装低频发射器天线来进行定位。有四个低频发射器模块用电线连接中央接收器模块至翼板。中央接收器模块将信号发送至这些低频模块以触发特定的车轮模块，比如右前轮。在这种情况下，只有右前轮的车轮模块（而不是其余的车轮模

12、块）会反馈信息。将来，两轴 G 传感器将被用于实现轮胎的自动定位功能。 预计到 2011 年，高端 TPMS 系统的市场份额将达到 30%。该系统也将成为未来 TPMS/ESP 集成的基础（见情景 4 的描述）。 情景 4： ESP/ABS 和 TPMS 的结合 ?直接系统该系统是未来的发展方向。在该系统中，TPMS 系统将轮胎的附加信息提供给 ESP 系统，如重力、轮胎气压和温度、路况和轮胎类型等。这是未来高级 ESP 系统的发展趋势。这种系统需要具备多轴重力测量和自动定位功能，此外还需要采用低频或“能量获得” 技术的无电池式系统。该类系统将于 2008 年首次引入高端汽车（基于低频系统）。

13、预计到 2011 年，其市场份额将达到 10%。 下一代产品?SP35英飞凌的 SP30 TPMS 传感器几年之前已进入批量生产，迄今为止已销售了数百万套。英飞凌的传感器，作为用于 TPMS 系统的主导产品，在市场上获得广泛的认可。随着市场不断要求更高的集成度和更低的系统成本，英飞凌将在 2007 年向亚太市场推出下一代产品 SP35。 SP35 将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。这就意味着，MCU、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的 SP30 加外部射频发射器集成电路（IC）解决方案相比，SP35 系统解决方案将减少一个组件。 SP35 集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感

14、器、搭载片上闪存的 8051 微处理器、低频接收器接口以及 315/433/868/915MHz 射频发射器。除减少组件数量外，它还可以降低系统总体成本，因为板卡设计更加简单，尺寸更小。 英飞凌 SP30 的独特优势 TPMS 系统设计中非常重要的一个方面是传感器的介质兼容性。传感器的精确性和可靠性在很大程度上受外部介质的影响，如潮湿、灰尘和其它物质如制动液等。英飞凌的 TPMS 传感器采用夹层工艺，由夹在两个玻璃层之间的单硅晶组成。传感器元件具备卓越的介质兼容性，因为气压入口朝向硅膜片的背面。 芯片封装对于产品化和批量生产来说是关键因素。封装方式会大大影响传感器的性能。每个传感器都是独一无二

15、的，并且需要单独进行整定和校准。英飞凌所有的 TPMS 传感器在生产过程中都进行了全面整定和校准，因此可节省客户大量的时间和成本。 英飞凌的无线控制芯片的独特优势 英飞凌的超高频（UHF）发射器 TDK51xxF 系列，是用于此类 TPMS 的最佳解决方案。TDK51xxF 系列设计用于 315MHz、434MHz、868MHz 和 915 MHz 等频段，可同时支持 ASK 调制和 FSK 调制。该产品系列具备一个完全集成的锁相环（PLL）合成器和一个高效功率放大器以驱动环路天线。其典型功耗为7mA（当电阻为 50Ohm，射频输出功率为 5dBm 时），堪称同类最佳。该设备可在-40C 到+

16、125C 的汽车运行温度范围内运行，并且采用非常小巧的 P-TSSOP-10 封装。 除发射器系列产品外，英飞凌还提供用于不同频段的各种接收器芯片。由于具备出色的灵敏度，英飞凌的射频接收器的应用范围不断扩大，如 TPMS 等。与竞争对手的无线芯片不同的是，英飞凌的无线芯片集成了各种功能，这样系统设计人员就可使用最少的元件，从而降低系统成本。在 FSK 调制模式下当接收频率为 434MHz 时，低达 3.9-7.5mA 的工作电流，以及高达-100dBm 的敏感度（测定条件：FSK 频偏为+/-50kHz，误码率为 2xE-3 比特误差率，曼彻斯特编码方式，数据率为 4KHz，中频带宽为 280

17、KHz），也是英飞凌超过其竞争对手的主要优势。 英飞凌的 TDA5210 超高频（ UHF）接收器的框图无线控制设计考虑因素 英飞凌 TDK51xxF 发射器 天线选择和匹配网络模拟和测试已经证明，与常规的接地天线相比，环路天线更加有效并且带宽更宽。环路天线通常被印刷在电路板上，并且要适当匹配才能获得最佳效率。 但是，有几个常见的外界因素会影响天线的性能和阻抗，如手效应?会改变自由空间(0)和金属物体附近的介电常数，而且这些因素对于获得准确的测量结果来说是至关重要的，并且必须被考虑在内。 这被证明是 TPMS 系统设计者所面临的一大挑战，因为天线必须在尽可能多的实时影响因素同时出现的情况下进行

18、测量，即要同时调整天线电阻网以及安装在边框上或靠近底部的发射器模块。 功率模式在电源关闭模式下，整个芯片是不通电的，电流消耗一般为 0.3nA。通过将 FSKDTA 切换到 HIGH（因为未连接 PWDWN）可以进入 PLL 激活模式。在这期间，PLL 接通电源，但功率放大器关闭，以便在 PLL需要稳定时避免不必要的功率辐射。 采用 FSKDTA 和 ASKDTA 进行 FSK 调制的功率模式示例（没有连接 PDWN）PLL 的导通时间主要由晶体振荡器的导通时间决定，当使用规定的晶体时，导通时间小于 1 msec。PLL本身需要大约 10s的时间锁定。在 PLL 启用期间，电流消耗一般为 3.

19、5 mA。 TDK51xxF 上的功率放大器由 ASKDTA 接通至 HIGH 位置。在此期间，FSKDTA 可以发送。当将适当的变换网络应用于 PAOUT 时，集成电路的电流消耗一般为 7mA。 环路天线 PCB 设计指南其他一些 TPMS 发射器设计指南，通常为系统设计人员带来了挑战。 晶体部分发射器晶体板应被屏蔽和接地，并且远离天线，以避免来自功率输出的干扰。同样的原理，发射时钟输出应远离晶体输入，并且所有晶体迹线长度应尽可能短。 电路板接地在电路下面进行牢固的接地是很重要的，射频和集成电路（IC）接地应彼此分开。 匹配元件布置所有匹配的元件彼此应尽量正交放置在接地平面上，如果可能的话，

20、它们的并联匹配元件都应彼此分离。 天线设计部分天线应总是放置在“自由空间”（无交流电源接地）内并且应使天线与接地层的距离至少为 5mm。如果使用环路天线，必须进行对称设计。 去耦合电容布置去耦合电容必须尽可能靠近 Vs 和地。 英飞凌 TDA52xx 接收器 英飞凌的 TDA52xx 是一种专门用于短程遥控的单片接收器。超外差接收器（SHR）的基本结构由低噪声放大器（LNA）和前端的混频器构成。IC 进行了高度集成并且只需很少的外部元件。该器件包括一个低噪放大器（LAN）、双平衡混频器、完全集成的压控振荡器（VCO）、PLL 合成器、晶体振荡器、带RSSI 发生器的限幅器、PLL FSK 解调

21、器、数据滤波器、数据比较器（分割器）和峰值检波器等。此外，该器件还具备断电功能以延长电池工作时间。 用 SAW 滤波器克服外界干扰为提高选择性和镜频抑制比，可在天线和 LAN 入口之间放置一个 SAW 前端滤波器。这样即可有效克服带外干扰信号造成接收器堵塞的问题。 窄带前端 SAW 滤波器的功率，必须与输入侧的天线和位于输出侧的 LNA 相匹配，以获得扁平通带、低插入损耗和良好的抑制效应。 所有的 PCB 迹线都要尽可能短，以最小化寄生作用。一般而言，由 SAW 滤波器供应商推荐的输入和输出匹配元件的值可以作为一个很好的参考指南。 提高接收器的灵敏度有很多可能影响到接收器灵敏度的因素，我们可以

22、对每个因素进行调节以使接收器的灵敏度最优化。 为获得更好的灵敏度和接收器性能，从前端匹配、LNA/Mixer 电路、中频滤波器和晶频、到数据滤波器和数据分割器都要进行仔细调节。 结论 正如本文所提到的那样，元件的正确选择、电源管理、介质兼容性、系统成本和射频设计都是工程师在设计直接 TPMS 时需要克服的主要设计难题。这些因素对于商业成功至关重要。基于 SP30/SP35 的解决方案，设立了元件数量和 PCB 占位空间方面的行业基准。它还满足汽车行业要求的 10 年电池使用寿命。 TPMS 市场目前的主角是采用电池的直接系统。无电池直接系统可能于 2008 年与 ESP 系统一道面向高端汽车推出。预计到 2011 年，这种系统的销量将达到 1.69 亿套，其后 5 年之内的年均增长率将达到29%。可以说，今后几年内，TPMS 市场的增长将非常迅速。