低速率TPMS無(wú)線解決方案在胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來(lái)，汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展已使車(chē)輛安全性能得到了顯著改善。其中有一項(xiàng)有望獲得大規(guī)模應(yīng)用的就是輪胎壓力監(jiān)測(cè)（TPM）系統(tǒng)。

輪胎爆裂直接導(dǎo)致頻發(fā)的嚴(yán)重事故和致命事故，從而導(dǎo)致對(duì)一種低成本、低功耗、小型可靠的車(chē)輛輪胎壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的迫切需求?；诩闪说蛿?shù)據(jù)率無(wú)線傳輸功能的這類(lèi)技術(shù)的出現(xiàn)，在未來(lái)幾年，將會(huì)通過(guò)OEM汽車(chē)廠商普及TPMS的應(yīng)用。

某些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了對(duì)TPMS需求的迫切性。例如，雷諾汽車(chē)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高速公路上6%致命的意外事故是由欠壓的輪胎突然失效所引起的；而米其林公司進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，英國(guó)30%的駕駛員都只依賴(lài)于汽修廠定期檢修時(shí)的胎壓檢測(cè)服務(wù)。但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)殡S著車(chē)輛可靠性的改善，定期檢修的間隔期間越來(lái)越長(zhǎng)，目前一些最新車(chē)輛的檢修服務(wù)里程間隔能長(zhǎng)達(dá)25000公里！

許多新型高檔汽車(chē)已將胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列為標(biāo)配。過(guò)去是以輪間轉(zhuǎn)速差為依據(jù)來(lái)檢查某個(gè)輪胎是否欠壓，從而實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)的目的，進(jìn)而提高車(chē)輛防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的性能。然而遺憾的是，這類(lèi)系統(tǒng)的精確度和反應(yīng)時(shí)間不能滿(mǎn)足規(guī)定的要求；其原因是它依賴(lài)于壓差測(cè)量，如果所有的輪胎都充氣不足時(shí)，該系統(tǒng)就不能發(fā)出可靠的報(bào)警。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，當(dāng)超過(guò)輪胎保養(yǎng)周期時(shí)，需要駕駛員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)定。

圖1顯示的解決方案能夠監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力、運(yùn)動(dòng)、溫度和電池電壓。來(lái)自每個(gè)輪胎上的信息被處理，處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到車(chē)輛中央控制器，必要時(shí)它會(huì)向駕駛員發(fā)出危險(xiǎn)告警。提供給駕駛員的信息可以只是簡(jiǎn)單的報(bào)警，也可以是在儀表盤(pán)的數(shù)字顯示器上具體顯示每個(gè)輪胎的壓力數(shù)據(jù)。有些系統(tǒng)可能還包括請(qǐng)求讀取功能或者叫做按需讀取功能。

AMI半導(dǎo)體已開(kāi)發(fā)制造出了一系列低速率的TPMS無(wú)線解決方案，支持千兆頻率以下的應(yīng)用。TPMS的工作頻率可能繼續(xù)保持為免許可頻段（美國(guó)為325MHz頻段，歐洲為434MHz頻段），以便TPMS可以利用遙控?zé)o鑰進(jìn)入（RKE）接收器。

TPMS關(guān)鍵的指標(biāo)是：耗電量、體積、可靠性和成本。該設(shè)備還必須符合國(guó)際上各種規(guī)定，包括美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）制訂的主要標(biāo)準(zhǔn)。

降低能耗

耗電量是TPMS傳感器/發(fā)射器要考慮的主要問(wèn)題之一。為使傳感器/發(fā)射器模塊盡量小巧、輕便，對(duì)電池的大小作了嚴(yán)格的規(guī)定。由于電池的體積縮小，電池容量或有效能量也變小。汽車(chē)制造商都期望有壽命較長(zhǎng)的電池，一般規(guī)定電池的最短壽命為10年，容量最小為220mAh。這樣的電池等同于一個(gè)平均連續(xù)耗電電流為2.5μA的TPMS系統(tǒng)連續(xù)工作87，000個(gè)小時(shí)（約10年）。

要使電池壽命盡量延長(zhǎng)，就必須以很高的占空比為設(shè)備的各個(gè)部分供電。作為電源管理一部分，這些設(shè)備需包含一個(gè)“惰態(tài)”工作模式和一個(gè)“活躍”工作模式?！盎钴S”模式受汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)，其壓力讀取率能比“惰態(tài)”模式高一百倍。在射頻發(fā)射期間，TPMS的耗電量最高，高出壓力測(cè)量處理模式期間的5倍以上。如果減少壓力測(cè)量發(fā)射次數(shù)或僅在壓力大幅度減少時(shí)才進(jìn)行測(cè)量和發(fā)射，就能節(jié)省大量的功耗。

用做喚醒計(jì)時(shí)器的RC振蕩器是需要連續(xù)工作的電路中的一部分。另一種持續(xù)電流消耗是由于設(shè)備的泄露而引起的。這兩項(xiàng)總計(jì)大約為400nA。“惰態(tài)”模式電路的耗電預(yù)計(jì)占電池10年壽命的90%，有望把該狀態(tài)下的平均電流降低至500nA。這樣，就使得“活躍”模式中的平均電流可以提高到約2.8μA，但這仍然只是個(gè)小數(shù)目的增加。

由于該振蕩器能迅速升至它們所需的工作點(diǎn)，因此在一些電路中的功耗有望能進(jìn)一步降低。其中需要大量啟動(dòng)時(shí)間的一個(gè)電路就是晶體振蕩器。在這種情況下，使用AMI半導(dǎo)體公司的“快速啟動(dòng)晶體振蕩器”IP會(huì)比較有利。這種自校準(zhǔn)電路可以將振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間減少到5-10μs之間，而一般的晶體振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間為5-10ms。

為了將電源損耗降至最小，還需要采用超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AMI半導(dǎo)體“鑒聽(tīng)（sniff）模式”的快速喚醒功能（信號(hào)波形如圖2所示）以及利用片上智能芯片來(lái)減少RF發(fā)射次數(shù)等。

可靠性

如果能盡量減少外接元件的數(shù)目，TPMS模塊的可靠性就能得到改善，電路板或模塊所占的空間也會(huì)減小。事實(shí)上，許多IP模塊的設(shè)計(jì)都將此作為一個(gè)目標(biāo)。我們還可以把許多外接元件集成到一起，如晶體負(fù)載電容器、鎖相環(huán)（PLL）濾波元件及溫度傳感器。

對(duì)于所有的RF無(wú)線通信應(yīng)用，多徑衰減都會(huì)為可靠通信帶來(lái)嚴(yán)重的影響。由于車(chē)輛處在一個(gè)不斷變化的環(huán)境中，故TPMS應(yīng)用中的多徑衰減也會(huì)引起嚴(yán)重問(wèn)題。為減少這些問(wèn)題的出現(xiàn)，可以使用雙天線分集接收，AMIS-52100中即是如此。分集功能可以獨(dú)立自動(dòng)工作，不需要外部控制器或RF開(kāi)關(guān)。

降低成本

在努力滿(mǎn)足TPMS的強(qiáng)制性要求時(shí)，成本仍然是汽車(chē)制造商們要考慮的一個(gè)基本問(wèn)題。前面已經(jīng)提到，將TPMS中央控制器與RKE系統(tǒng)集成在一起可以獲得很大的經(jīng)濟(jì)利益，目前大多數(shù)車(chē)型都采用了該方法。利用成熟、高效的處理器和IP也有助于降低成本；例如AMIS采用了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的0.35μm混合信號(hào)技術(shù)。還要選用一種經(jīng)濟(jì)的EEPROM模塊，該模塊用來(lái)存儲(chǔ)一些校準(zhǔn)值、輪胎序列號(hào)或位置編號(hào)。

為將系統(tǒng)元件數(shù)減到最少，建議把看起來(lái)應(yīng)該是硅基MEMS之類(lèi)的傳感器與接口/發(fā)射器IC集成在一個(gè)多芯片封裝中。不過(guò)，在同一裸片上集成傳感器與接口/發(fā)射器并不見(jiàn)得經(jīng)濟(jì)可行。原因在于：雖說(shuō)大尺寸的CMOS工藝一般來(lái)說(shuō)只會(huì)便宜一些，但將該工藝用于傳感器時(shí)就要比一般的CMOS工藝便宜很多，這是由于采用該工藝時(shí)，使得傳感器的制造簡(jiǎn)單了許多；另外，傳感器元件的體積也比較大，這些特征使它們與CMOS ASIC不太協(xié)調(diào)。

可幸的是，微電子技術(shù)的發(fā)展可以滿(mǎn)足TPMS所面臨的這些挑戰(zhàn)，在保證OEM制造商和用戶(hù)的低成本的條件下，將會(huì)進(jìn)一步提高車(chē)輛的安全性能。

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