ADAS凝聚廠商開發共識　電子元件革新實現自駕電動車

自駕電動車融合兩種互補技術的發展，其後蘊藏著龐大的成長動能：自動操作以及可快速充電、具備長途行駛能力且經濟實惠的電動車。如果加上運用先進電子元件，讓行駛過程更安全、更舒適並可聯網的發展趨勢，那麼只需幾世代的設計就能實現運輸革命。 

人們很容易將自駕電動車視為無所不包的夢幻之作，並將成為汽車市場的巔峰。然而，參與其中的汽車製造商了解，唯有透過技術開發中許多小幅度的進展才能實現夢想。自動駕駛取決於整部車上為數眾多的感測、通訊及控制電子系統。 

整部車的電子系統負責控制馬達、動力系統、轉向與懸吊，以及儀表板、導航、娛樂裝置與喇叭、座艙與車外照明、暖通空調(HVAC)、電動座椅、車窗及後照鏡等運作。先進電子元件可減輕重量、提升操作、提高能源效率，並使汽車更安全、舒適且便利。對於逐步導入自動駕駛、從燃油轉變為電力推進，以及持續提升行駛體驗而言，電子元件都非常重要。 

運輸市場百花齊放  汽車零件生產快速成長 

根據LMC Automotive統計，2016年全球汽車與輕型卡車的產量超過9,300萬輛，預計在2021年將超過1.05億輛。Strategy Analytics的市場分析師表示，目前汽車平均含有價值約324美元的半導體元件，預計2021年將超過361美元。電子系統與組件的穩定增加，象徵著汽車零件市場最快速的成長(圖1)。新功能雖然會先在頂級車款上推出，但通常會在幾個設計週期之後下放至中型車款，最後下放至經濟型車款。在部分案例中，立法或法規加速技術的普及，藉以提升安全、燃油經濟性或減少排放。 

圖1 隨著全球車輛生產以及更多電子系統安裝至車輛，每部車的平均半導體含量將穩定增加。

資料來源：Strategy Analytics與LMC Automotive  

汽車、休旅車及載貨用卡車是運輸市場最大宗的商品，也因此是各汽車製造商創新的主要目標，但其他運輸形式同樣需要先進電子技術的投入。包括工業運輸與個人、休閒及其他重型車輛，例如商用卡車、摩托車、巴士、建築與農場設備。創新技術通常會從汽車領域轉移至上述其他運輸領域，但在部分案例中則是反向運作。 

運輸也包含超越車輛的範圍，包括道路、停車場、傳統服務站，以及將越來越普及的電動車與插電式混合動力汽車(HEV)的充電站。從高速公路與主要交叉路口開始，監視感測器與攝影機出現在城市道路上，並透過雲端與控制站進行通訊，最終控制車輛本身。 

這些改變將影響駕駛習慣，汽車製造商必須透過產品的設計來滿足消費者的期待。德州儀器(TI)等半導體製造商為各種運輸類型與基礎設施提供技術，協助汽車製造商將其設計工作與運輸市場的發展趨勢達到一致。 

ADAS帶來安全便利  挹注汽車市場開發動能  

自動駕駛與車輛電氣化皆發展出了多個等級與階段。為了追蹤自動駕駛的發展，SAE International制定J3016標準以定義從無(0級)到完全自駕(5級)的五個等級，分別具備不同程度的免人為操控能力。目前已有量產車款配備多項較低等級的輔助功能，包括動態穩定控制(1級)、智慧主動車距控制巡航系統與車道維持(2級)，另外還有自動停車功能，或可在緊急情況且駕駛失能時提供有限自駕的功能(3級)。 

結合先進的資訊與警示功能，上述駕駛輔助功能統稱為先進駕駛輔助系統(ADAS)，將可提升安全性與便利性。ADAS的成功對於汽車業而言極為重要；根據Strategy Analytics的預估，上述系統的市場將於2021年成長至超過370億美元。 

資訊類ADAS(例如車後影像或環景攝影機系統與顯示器)可為駕駛提供更好的視野及看到視線死角。以機器視覺為基礎的系統可處理來自各種感測器的資訊，識別物體與車輛周圍的危險環境，並以視覺、觸覺或聽覺訊號警告駕駛。 

ADAS可更進一步為駕駛執行簡單的操控，例如將車輛駛回車道中心，或在汽車前方有行人時，將車輛完全停止。若要在車輛中提供高度自動化與全自動化系統(亦稱為自駕車)，許多感測器與子系統必須共同運作，以即時傳送、結合及處理所有可用的資訊(亦稱為感測器融合技術)。如此即可做出各種決策，除了作用於轉向、加速與剎車之外，還包括路線規畫。 

電動化車輛從零到完全電動化具有類似的分級定義，在消費者習慣此技術之後，能為消費者提供選擇。通常，汽車業將電動車區分為表1列出的類別。每個類別皆包含其以上類別的功能，各類別依序可提供更多的燃油節省效果。在此列表中，預期未來幾年成長最快的將是輕度混合動力汽車與插電式混合動力汽車。 

透過這些階段的車輛電氣化，使自動駕駛的發展更臻完備，因為兩者皆須倚賴部署於車輛上的先進電子元件。在部分案例中，電力驅動與自動駕駛可使用相同系統進行加速與停止；在其他案例中，它們可共用感測、運算及通訊資源以進行運作與診斷。 

另外，啟用ADAS的自動駕駛通常可達到能源效率的目標，這是電氣化的核心目的。例如，智慧主動車距控制巡航系統可協助維持恆定的燃油使用量，比頻繁加速及剎車來得更有效率。其他ADAS功能，包括以攝影機與車內顯示器取代車側後照鏡，不僅可提高駕駛的意識與安全，還可移除兩個造成空氣阻力的零件以降低油耗。 

汽車電子的第三大趨勢是持續開發更高的舒適度、便利性，以及與車外世界的連結，回到最早安裝汽車收音機的年代。隨著駕駛輕鬆程度的提升，消費者希望他們的行駛體驗更加愉快，包括空調、聲音、燈光、通訊及手動或聲控的便利性。 

整體而言，這些系統的類型分為兩大種類：在綜合儀表總成與儀表板提供資訊與娛樂的類型，以及在車身與照明提升舒適與便利性的類型。在這兩個領域中，先進電子元件為駕駛與乘客帶來更高的乘坐滿意度，未來亦將如此。 

汽車電子主要開發領域中的系統與技術要求包括：用於提供ADAS的車輛感測、智慧與控制，以提供更智慧安全的駕駛體驗；新一代整合式駕駛艙系統，可創造更具有互動性，而非使人分心的駕駛體驗；為車身電子系統帶來更智慧的組件，以及複合式照明功能，使乘客安全、舒適度及便利性達到最佳化；電力傳動子系統的電源管理、感測及馬達控制技術，可將汽車系統的電力從汽車傳送至電網。 

ADAS促進技術升級  車輛自動化趨勢成形  

ADAS技術以來自攝影機、超音波、雷達及光達的各種感測與影像為基礎，為車輛自動化鋪路。ADAS技術越多，對於高頻寬通訊、高效能影像(及其他訊號)處理及智慧控制的需求就越高。其資訊必須立即處理，因此效能加速與低延遲通訊特別重要，並盡可能使用較少的纜線以節省空間，特別是減輕重量(圖2)。 

圖2 從車後影像攝影機到環景功能，甚至是完全自動的車輛，ADAS技術帶來更智慧安全的駕駛體驗。

攝影機產生大量影像資料，需要演算法來過濾和調節資料。這些演算法同時會搜尋及識別重要的物體，例如交通號誌、車道標線、行人以及其他車輛。上述一切皆以即時方式進行，同時判斷汽車是否應立即改變行進方向、減速、停止等，並執行這些動作。視訊、來自其他感測器的資料及控制決策的結合，需要不同的處理解決方案，它們通常用於整合相同裝置中的通用與專用核心處理器。 

隨著更多的ADAS功能問世，融合電子功能的需求將會增加，同時也能節省空間、重量、成本及功能資源，並提供備援的感測與影像以達到更高的可靠性。例如，朝向道路前方的視訊攝影機，在夜間、起霧、下雨或發生沙塵暴時的能見度有限。但是，藉由雷達及光達等其他感測器的增強功能，即可透過「預視」系統來補強攝影機的限制。 

融合可促進獨立組件的整合，有些可製成單晶片，其他的則可製成多晶片模組。半導體供應商必須要有廣泛的製程與封裝技術，以更有效地協助縮小組件的尺寸。 

車載資訊娛樂成標配  安全駕駛舒適體驗皆宜  

車載資訊娛樂系統結合各種技術以協助駕駛，並提供資訊與娛樂。傳統儀表將由數位儀表板顯示器取代，它能以直接的方式提供所需警示與資訊。例如，ADAS功能可透過空中顯示器，警示駕駛道路上有其他車輛或物體，同時抬頭顯示器(HUD)投射在擋風玻璃上，讓駕駛將視線維持在道路上(圖3)。 

圖3 過去僅有收音機等功能的車載資訊娛樂系統及叢集系統，現在已發展為包含抬頭顯示器，甚至可提供遊戲及其他豐富的娛樂體驗。

研究顯示，抬頭顯示器逐漸受到歡迎。消費者開始意識到高解析度投影的潛力，因為它們可提供更清晰的影像與更多的資訊，有助於減輕駕駛眼睛的疲勞。另一方面，許多駕駛已逐漸習慣跟隨語音導航指示，語音訊息也能在駕駛未注意到警示燈時加強警示。在轉向柱上，觸控與手勢感測器可提供直接的使用者介面，與感知回饋結合時，可提升體驗與駕駛意識。 

車載資訊娛樂系統的改變，將廣闊的世界與車輛連結。全新的娛樂、多媒體與資訊整合功能，可提供類似智慧型手機的實用性與熟悉度。音響系統可支援更多的聆聽選擇，而強化的音效與喇叭可使座艙中的聲音更令人滿意。無論車載資訊娛樂系統多麼成功，其設計目標都是使其具有互動性，而非分散注意力，因此讓駕駛能專心駕駛。 

做為汽車的神經中樞，車載資訊娛樂系統與叢集系統必須連接至ADAS、動力系統及便利系統。彈性是車載資訊娛樂系統與叢集系統所依賴之處理解決方案的關鍵，亦即有彈性的通訊，因為資料連結可能不同，彈性的配置可支援不同車款之間的硬體差異，而彈性的軟體則可因應各種內裝管線與設計週期。彈性伴隨著可擴展性，因此同樣的微處理器系列可支援多種車型。 

圖4 車身電子包括各種乘客舒適度與便利系統，但現在還包括先進安全功能。

隨著時間推移，將迎來電子功能的長期成長，以成熟的開發工具及軟體的重複使用，協助縮短設計時間。其他需求包括可支援低功率與多電軌需求的高效率電源供應器、可大幅減少通訊布線的高速序列接收器、可監控光線明暗與座艙溫度的感測器，以及可提升舒適度、便利性及安全的其他功能(圖4)。 

車身電子提供定位功能  複合式照明提升舒適度  

車載車身電子中的各種便利性功能，須倚賴小型化且具有成本效益的感測器。提醒車門未關或自動調整座椅等各種定位功能，則須倚賴整合於其他電路的位置感測器。有時需要觸覺回饋功能輔助的觸控按鈕或面板，可用於取代以彈簧啟動而且會磨耗的開關。門鎖與警報透過無線開關運作，並可藉由車門位置與座椅壓力感測器予以跳脫。 

可提升互動式人機介面(HMI)的聲控功能以人類語音辨識系統為基礎，可與語音指令的處理作業共同運作。與上述及其他各種感測器共同運作的還包括小型馬達、螺線管及其他由小型電路驅動的致動裝置。對於技術開發人員而言，車身電子高能見度的便利性會帶來空間、重量及成本的挑戰。然而，透過創新技術與創意，即可輕鬆解決上述大多數的挑戰。 

適應性照明系統已在汽車業帶來一些令人興奮的創新。直到過去10年，大多數汽車頭燈只有單純的開關功能，而且大多數使用的是白熾燈泡。現在配置於高階車款的適應性頭燈系統採用發光二級體(LED)或氙氣頭燈，並可動態調整光束方向與強度。LED矩陣管理工具可讓適應性頭燈技術提供更好的道路照明。 

座艙中的數位照明調整技術可改變座艙的氛圍，而外部照明也因為製造商將傳統燈泡變更為LED而持續提升。 

內燃機退場已成共識  動力系統電氣化接棒  

雖然駕駛與乘客看不到動力系統，但它仍是汽車中最基本的技術。中國與歐洲的幾個國家正計畫在2030年至2050年之間，禁止使用具有內燃機(ICE)的車輛(圖5)。因此，從ICE到電動馬達的轉換正快速進展中。汽車業目前需要創新的電子解決方案，以應用於HEV與EV所需要的高功率驅動與快速充電，以及讓燃油動力引擎的運作更有效率，同時減輕動力轉向等領域的重量。 

圖5 內燃機可能被淘汰，因為汽車製造商更專注投入於行駛里程更遠的HEV與EV。

所需的半導體功能涵蓋各種感測、訊號放大、訊號轉換、通訊，以及訊號處理與控制演算法。這些組件除了有特定性能要求外，汽車電子元件通常還須面對道路上嚴苛的環境因素，包括污垢、晃動及高溫。晶片須通過高溫測試，印刷電路板(PCB)須通過汽車環境震動特性的測試，並符合在這些條件下使用的各個積體電路(IC)的汽車品質。 

電源管理對所有電子系統而言都很重要，它在汽車引擎蓋下所面臨的挑戰遠高於其他位置。它必須支援3伏特(V)至800伏特以上的大幅電壓落差，而且電子電源供應必須適應各種充電與負載條件所引起的電池電壓升降。超過矽能力的最大電壓，需要新型複合功率電晶體材料。高電壓及相關的高電流需要以強化型絕緣技術打造的IC，以保護電路與人員避免過載與危險的放電。 

精密的馬達控制對於動力電氣子系統也很重要。馬達可實現每個電機旋轉動作，從壓縮機、風扇及鼓風機的低功率運動，到HEV與EV的高功率車輪推進。車輛中的直流馬達有不同的功率與控制需求，要求程度最嚴苛的應用需要強大的感測功能、高效能訊號處理演算法以及精密的電壓輸入控制，以達到扭力、速度與位置所需的輸出。穩定的電氣運作也意味著直流馬達的運作時間比過去更長，這會帶來新的可靠性問題。動力系統技術供應商必須具備感測、電源管理及馬達控制等廣泛的專業技術，才能為汽車原始設備製造商(OEM)帶來創新的解決方案。 

掌握六項技術發展  創新汽車系統設計  

在ADAS、車載資訊娛樂系統、車身電子、照明及動力子系統等幾乎所有領域中，市面上已有產品與支援可協助汽車製造商達到全新的性能與功能等級，此外，也支援工業與個人運輸及基礎設施的設計。在所有行業與市場趨勢中，以下六項技術將加速汽車系統的創新。 

感測與訊號調節 

智慧系統始於透過感測器與攝影機收集資料，然後將此類比資訊放大及轉換以進行數位處理。感測器須涵蓋廣泛的條件，包括位置、近接、溫度、壓力、光線、聲音、液體、速度以及材料。此外，也出現了超音波與雷達解決方案，並支援可供ADAS進行遠距感測的攝影機與光達。感測器IC亦可整合訊號調節與通訊，依據需求而定，有些還能加入處理與通訊功能(圖6)。 

圖6 廠商提供的系統方式可解決所有汽車需求與挑戰。

廠商所開發的AIR毫米波(mmWave)雷達感測器系列，可提供比過去的毫米波解決方案高三倍的準確度。這些單晶片裝置結合毫米波雷達、通訊、微控制器(MCU)及數位訊號處理器(DSP)，可供設計人員實作智慧、非接觸式感測功能，以協助車輛偵測及迴避其他汽車、人員或物體。 

在馬達方面，具有電源整合、驅動放大器及功能性安全功能的解角器介面，可提供更小型、更可靠且更準確的旋轉位置感測設計。許多汽車系統需要功能性安全功能，可透過SafeTI設計套件達成。使用如感測器、馬達驅動器、MCU及功率產品等SafeTI組件，可協助設計人員符合產業標準功能性安全要求，同時可管理系統性與隨機故障。 

嵌入式處理 

專屬核心有助於加快影像處理速度，而晶片內建的有線與無線介面則可提供彈性的通訊。例如，電動車可透過C2000 MCU而獲益，它提供即時控制解決方案，以達到高效率的功率轉換與高效能的馬達控制。而SafeTI設計套件中的Hercules TMS570 MCU，則可協助客戶符合嚴格的功能性安全汽車應用產業標準。 

專為汽車ADAS與車載資訊娛樂系統應用而打造的Jacinto系列則高度整合TDAx與DRAx系統單晶片(SoC)，包括數位駕駛艙、儀表板、感測器融合、停車輔助、攝影機後照鏡系統(CMS)，以及駕駛監控系統(DMS)。該處理器針對ADAS與車載資訊娛樂系統的性能、功率及成本需求進行最佳化，其異質架構與通用軟體平台讓原始設備製造商更容易以領先業界的性能與效率，使其產品達到差異化。 

連接性 

高度整合的車輛系統需要可靠的通訊。值得注意的創新包括FPD-Link III高速序列視訊通訊，可完美搭配Jacinto SoC及其他車載資訊娛樂系統處理器，不僅可節省重量與空間，而且只需兩條電線即可提供視訊訊號所需的頻寬。為了使用多重攝影機系統，單一集線器最多可同時聚合及複製來自四支攝影機的高解析度資料。 

由於低功耗藍牙(BLE)已內嵌於幾乎所有現代智慧型手機、穿戴式裝置及平板電腦，對汽車車身電子與車載資訊娛樂系統應用而言是非常理想的無線技術。 

低功耗藍牙可提供免鑰匙進入/啟動(PEPS)功能，用途包括共享汽車，駕駛的智慧型手機可做為虛擬鑰匙；遠端車輛診斷或遠距通訊資訊，例如將胎壓、油量、電池狀態及溫度分享給智慧裝置；以及駕駛輔助與個人化，車身控制模組(BCM)可在駕駛接近車輛時，啟動車內與車外的照明、調整個人化座椅位置，以及調整暖通空調或車載資訊娛樂系統的偏好設定。未來，低功耗藍牙可提供自動停車功能，使用者離開車輛並啟動智慧型手機應用程式，即可讓汽車自行行駛到附近的停車位。 

照明與顯示 

矩陣驅動器可為多像素LED頭燈與尾燈提供高效能控制。對車內與車外照明系統而言，高效率LED驅動器可延長汽車照明設計的使用壽命，維持更高的駕駛與行人的可視性(因此可提升人員安全)，並提升整體駕駛體驗。 

使用數位光源處理(DLP)技術可獲得更好的解決方案與更先進的功能，能夠選擇性讓車頭燈的部分光束改變方向或變暗，以避免直接照射其他駕駛的眼睛或高反射性的物體表面。未來，以DLP技術為基礎的車外照明可投射訊息，提升與行人及其他駕駛的視覺溝通。 

在抬頭顯示器方面，DLP技術可在不同溫度範圍內提供更高的亮度，可用於顯示更大的視野及擴增實境圖像。如此可讓原始設備製造商設計抬頭顯示器以達到最佳的虛擬影像距離，協助駕駛將視線維持在道路上。 

電源管理 

電源管理技術至為重要，功率轉換產品組合與穩壓解決方案符合所有多重電壓子系統電氣化的需求。電池管理裝置可提供為混合動力汽車與電動車電池充電的系統，而矽閘極驅動器與功率電晶體可切換12伏特與48伏特汽車電子元件的電源供應。針對HEV與EV推進時所需的更高電壓，由於超過一般矽運作限制的需求，則以閘極驅動器來因應，並支援其他技術。 

絕緣 

高階整合意味著大幅差異的電壓訊號必須相互絕緣，以達到訊號完整性並保護人員與設備。訊號鏈與功率產品組合提供絕緣解決方案，包括獨立型與整合基本型或強化型絕緣，以避免高電壓尖峰與瞬態進入低電壓電路。另外，電容技術可絕緣訊號與來自晶片本身的雜訊。 

製造商供應商強強聯手  自駕車願景逐步實現  

將影響一般人日常生活的自駕電動車願景或許會讓人感到期待，但汽車技術專家知道還需要一段時間才能實現此願景。同時，ADAS、動力系統電氣化、車載資訊娛樂系統與儀表板、車身電子及照明，可協助設計人員的汽車設計更安全，讓旅程更加愉快，但也為每個世代汽車設計帶來挑戰。其他類型車輛與運輸基礎設施也受到上述趨勢的影響，同時也有各自的需求。 

汽車業面臨的挑戰需要由電源管理及整體訊號鏈的創新電子技術加以解決。需要先進半導體解決方案的汽車製造商與一級供應商，也需要來自供應商的各種技術與專業以及深度的支援，以協助打造並推出新的車款。 

(本文作者為德州儀器汽車系統部門主管)