無線ASIC將加速胎壓監測系統的普及應用

某些統計數據強調了對TPMS需求的迫切性。例如，雷諾汽車的統計結果表明，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；而米其林公司進行的一項調查顯示，英國30%的駕駛員都只依賴于汽修廠定期檢修時的胎壓檢測服務。但是這遠遠不夠，因為隨著車輛可靠性的改善，定期檢修的間隔期間越來越長，目前一些最新車輛的檢修服務里程間隔能長達25000公里！

許多新型高檔汽車已將胎壓監測系統列為標配。過去是以輪間轉速差為依據來檢查某個輪胎是否欠壓，從而實現胎壓監測的目的，進而提高車輛防抱死制動系統(ABS)的性能。然而遺憾的是，這類系統的精確度和反應時間不能滿足規定的要求；其原因是它依賴于壓差測量，如果所有的輪胎都充氣不足時，該系統就不能發出可靠的報警。對于這樣的系統，當超過輪胎保養周期時，需要駕駛員對系統進行重新設定。

圖1顯示的解決方案能夠監測每個輪胎的壓力、運動、溫度和電池電壓。來自每個輪胎上的信息被處理，處理后的數據被發送到車輛中央控制器，必要時它會向駕駛員發出危險告警。提供給駕駛員的信息可以只是簡單的報警，也可以是在儀表盤的數字顯示器上具體顯示每個輪胎的壓力數據。有些系統可能還包括請求讀取功能或者叫做按需讀取功能。

AMI半導體已開發制造出了一系列低速率的TPMS無線解決方案，支持千兆頻率以下的應用。TPMS的工作頻率可能繼續保持為免許可頻段(美國為325MHz頻段，歐洲為434MHz頻段)，以便TPMS可以利用遙控無鑰進入(RKE)接收器。

TPMS關鍵的指標是：耗電量、體積、可靠性和成本。該設備還必須符合國際上各種規定，包括美國聯邦通信委員會(FCC)和歐洲電信標準協會(ETSI)制訂的主要標準。

降低能耗

耗電量是TPMS傳感器/發射器要考慮的主要問題之一。為使傳感器/發射器模塊盡量小巧、輕便，對電池的大小作了嚴格的規定。由于電池的體積縮小，電池容量或有效能量也變小。汽車制造商都期望有壽命較長的電池，一般規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平均連續耗電電流為2.5μA的TPMS系統連續工作87，000個小時(約10年)。

圖1：輪胎壓力監測系統解決方案方框圖

要使電池壽命盡量延長，就必須以很高的占空比為設備的各個部分供電。作為電源管理一部分，這些設備需包含一個“惰態”工作模式和一個“活躍”工作模式。“活躍”模式受汽車運動的觸發，其壓力讀取率能比“惰態”模式高一百倍。在射頻發射期間，TPMS的耗電量最高，高出壓力測量處理模式期間的5倍以上。如果減少壓力測量發射次數或僅在壓力大幅度減少時才進行測量和發射，就能節省大量的功耗。

用做喚醒計時器的RC振蕩器是需要連續工作的電路中的一部分。另一種持續電流消耗是由于設備的泄露而引起的。這兩項總計大約為400nA。“惰態”模式電路的耗電預計占電池10年壽命的90%，有望把該狀態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,但這仍然只是個小數目的增加。

由于該振蕩器能迅速升至它們所需的工作點，因此在一些電路中的功耗有望能進一步降低。其中需要大量啟動時間的一個電路就是晶體振蕩器。在這種情況下，使用AMI半導體公司的“快速啟動晶體振蕩器”IP會比較有利。這種自校準電路可以將振蕩器的啟動時間減少到5-10μs之間，而一般的晶體振蕩器的啟動時間為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轉換器、AMI半導體“鑒聽(sniff)模式”的快速喚醒功能(信號波形如圖2所示)以及利用片上智能芯片來減少RF發射次數等。

圖2：AMI半導體“鑒聽模式”的快速喚醒功能信號波形圖

可靠性
　　
如果能盡量減少外接元件的數目，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減小。事實上，許多IP模塊的設計都將此作為一個目標。我們還可以把許多外接元件集成到一起，如晶體負載電容器、鎖相環(PLL)濾波元件及溫度傳感器。
　　
對于所有的RF無線通信應用，多徑衰減都會為可靠通信帶來嚴重的影響。由于車輛處在一個不斷變化的環境中，故TPMS應用中的多徑衰減也會引起嚴重問題。為減少這些問題的出現，可以使用雙天線分集接收，AMIS-52100中即是如此。分集功能可以獨立自動工作，不需要外部控制器或RF開關。

圖3

降低成本

在努力滿足TPMS的強制性要求時，成本仍然是汽車制造商們要考慮的一個基本問題。前面已經提到，將TPMS中央控制器與RKE系統集成在一起可以獲得很大的經濟利益，目前大多數車型都采用了該方法。利用成熟、高效的處理器和IP也有助于降低成本；例如AMIS采用了經過驗證的0.35μm混合信號技術。還要選用一種經濟的EEPROM模塊，該模塊用來存儲一些校準值、輪胎序列號或位置編號。
　　
為將系統元件數減到最少，建議把看起來應該是硅基MEMS之類的傳感器與接口/發射器IC集成在一個多芯片封裝中。不過，在同一裸片上集成傳感器與接口/發射器并不見得經濟可行。原因在于：雖說大尺寸的CMOS工藝一般來說只會便宜一些，但將該工藝用于傳感器時就要比一般的CMOS工藝便宜很多，這是由于采用該工藝時，使得傳感器的制造簡單了許多；另外，傳感器元件的體積也比較大，這些特征使它們與CMOS ASIC不太協調。