针对汽车市场的 F-RAM™

简介

汽车对电子设备的依赖在逐年增加。 曾经的机械式系统已被电子控制单元 (ECU) 所取代。 新型车辆安全和用户娱乐系统导致系统复杂性不断增加并大大提升了对资源的需求。

汽车电子子系统概述

汽车电子系统由多个独立而相互连接的子系统组成。 每个子系统负责特定的任务，从简单的无线电控制接口到复杂的防撞系统，其范围和复杂度各不相同。 然而，这些子系统具有共同的基本结构，例如，微控制器单元 (MCU)、CAN、OBD2 和近年来兴起的以太网之类系统总线接口、输入传感器以及输出控制逻辑。 此外，许多子系统需要即时、连续地存储数据，这就对性能和耐久性设计提出了要求，并为 Cypress 铁电体 RAM (F-RAM) 提供了大展拳脚的空间。

图 1：汽车电子子系统无处不在。

利用 F-RAM，系统能够连续地以全总线速度存储数据，而无需额外的存储器和开销来管理存储器的耐久性。 这是因为 F-RAM 是瞬态非易失性存储器，无需额外的预备时间即可存储信息，并且具有 10¹⁴ 次写入耐久性，而大多数 EEPROM 和 FLASH 的写入耐久性不到 10⁶。

虽然很多系统需要存储数据，本文重点介绍那些可以利用 F-RAM 优势的系统。 例如，一个简单的无线电 ECU 需要存储用户预设值和当前状态。 用户预设值不太可能频繁改变；事实上，它们在设置后差不多可以被视为 ROM。 而另一方面，虽然当前状态会经常改变，但存储它不是那么重要，因此在简单的无线电系统中增加非易失性存储器就没有价值。 这就意味着，只有更高级的娱乐和导航系统才能充分发挥 F-RAM 的功能。

本文将探讨五种汽车子系统（电池管理、胎压监测、防抱死制动、气囊打开和事件数据记录仪），并指出每个子系统中可以充分利用 Cypress F-RAM 产品线的关键功能。

电池管理

电池管理系统 (BMS) 是监视和控制电动车及混合动力车电池系统的电子控制系统。 该装置的主要功能是保护每个电池单元不受损坏，延长每个电池单元的寿命，并为车辆实时提供能源。

BMS 可独立监控每个电池单元的工作参数。 这些参数包括电池电压、电池电流（充放电）以及电池温度。 现代的锂离子电池具有非常高的电荷密度（能量存储）及较高的电流消耗（低内部电阻），但需要非常密切的操作控制。 锂离子电池失效的主要原因之一是过度充放电。 这使得 BMS 对于任何使用锂离子电池的系统而言都很重要。

在现代电力和混合动力车辆中，BMS 将与其它汽车子系统相连，如控制动力输送的发动机管理系统、执行再生制动的制动系统、用于切断电源的安全子系统，以及通讯及信息娱乐等驾驶室子系统。

图 2 显示了 BMS 及其相连子系统的布局。 基本系统由均衡器及 ECU 构成，前者用于维持每个电池单元的恰当电荷，后者则用于监控电池。 ECU 将采集每个电池单元的温度和电压信息以及其它子系统的电气请求，并指示均衡器维持电池的电荷平衡。 电量较少的电池单元会更频繁地进行充电，而电量较多的电池单元则会更频繁地用于满足能量请求。 这有助于提高电池组的整体使用寿命。

图 2：电池管理系统。

ECU 需要具备根据不同的电池技术（主要是锂离子和镍金属氢化物技术）进行编程的能力。 该系统还需要能够监控短期（最近几次充电周期）和长期（使用寿命）的电池性能。 这对于最大化电池寿命至关重要。此外，对于高达 60 次/秒的短期监控而言，Cypress F-RAM 的高耐久性使其成为满足这一独特要求的理想存储器技术。

胎压监测

胎压监测系统 (TPMS) 可监控所有轮胎的内部胎压，并报告是否存在任何充气不足的情况。 2012 年起，欧洲和美国的所有新车都要求强制使用这一子系统。 该系统包括两个关键模块：一个是无线压力传感器，另一个是无线接收器/数据记录仪。 对压力传感器的主要要求是能够自我供电，并耐受通过轮胎施加的环境力量。 Cypress 的 F-RAM 对功率要求较低，因而成为传感器模块数据存储器的理想选择。

对无线接收器/数据记录仪的要求则是能够存储所有传感器的数据，并在触发点被激发时向用户发出警报。 随着 Cypress F-RAM 的耐久性增加，有望实现更复杂的泄漏检测。

图 3：胎压监测。

通过存储多个压力历史记录，TPMS 不仅能够在低压事件下触发，还可在发生慢泄露事件时向用户发出警报。 此外，该胎压历史记录对于调查车辆故障和事故也很有价值。 图 3 展示了 TPMS 的基本系统设计。

防抱死制动

防抱死制动系统 (ABS) 用于防止车轮在制动期间锁死。 它是车辆安全系统的重要组成部分，能够在湿滑及结冰路面上为车辆提供更佳的制动和转向性能。 该系统可独立调节每个车轮上的压力。 它在传统制动系统的基础上增加了液压调制器及控制该调制器的 ECU。 该系统本身并不需要大容量的非易失性存储器，但与 TPMS 子系统一样，保存事件跟踪日志的能力对于确定事故的原因无疑是无价的资源。

对于记录最近几秒或几分钟的系统事件而言，滚动式缓存需要具备非易失性、快速写入和高耐久性的特点。 Cypress 的 F-RAM 符合所有三个系统要求。 由于其快速的零延迟写入，丢失最重要的历史记录部分的风险为零。 此外，该存储器具备 10¹⁴ 次写入耐久性，能够满足系统的生命周期要求。 图 4 显示了基本 ABS 设计。

图 4：防抱死制动。

气囊打开

气囊打开子系统是“辅助约束系统 (SRS)”子系统类别中的主要系统。 SRS 将与座椅安全带等传统的约束系统配合使用。 它有两个关键部件：一个是正面可膨胀气囊，另一个是碰撞/加速计。 为了在发生事故时有效打开气囊，该系统使用了一个压缩气体罐。 这使得气囊成为一次性装置，并会损坏车内其它部件。 因此，其打开成本极高。

图 5：气囊打开。

鉴于安全性需求和更换成本，制造商增加了多种额外的传感器来监控座椅上的乘客并进行记录。 其中包括用于启用气囊子系统的载客压力传感器及各种位置传感器，以提升气囊系统的有效性。 位置数据会不断更新，且必须能够在气囊打开过程，甚至打开之后进行存储。 Cypress 的高性能、低功率和高耐久性 F-RAM 是持续记录位置数据并将其保存在非易失性存储器的理想解决方案。

事件数据记录仪

事件数据记录仪 (EDR) 子系统可监控并记录碰撞发生前后与车辆运行相关的信息。 此系统又称“黑盒子”，是连接并在事件跟踪时间日志中监控其它子系统数据的独立系统。

EDR 子系统包括两个主要模块：一个是网络接口，另一个是非易失性存储器。 2014 年起，美国的大部分车辆都要求集成 EDR。 由于需要存储车内众多子系统的数据，非易失性存储器的写入性能和直接存储器寻址变得十分关键。

大多数 EEPROM 和闪存都有 5 毫秒的写入延迟，期间设备不可访问，若出现电源故障，则可导致数据丢失。 Cypress 的 F-RAM 具有零写入延迟；尤其是，该装置可在接口的下一个总线时钟之前准备就绪。 此外，许多其它的非易失性存储器在存储单字节数据时还需要页面级的读-改-写过程，但 Cypress 的 F-RAM 是直接按字节寻址，允许数据一经写入就会保持不被修改。

导航和信息娱乐

导航系统用于帮助汽车驾驶员定位目的地，并接收行驶路线。 大多数导航系统采用全球定位系统 (GPS) 信号和电子地图来帮助驾驶员导航至所需目的地。

导航系统需要能够在 GPS 由于建筑物和阻碍物而临时不可用时，利用上个电源周期的位置数据来定位车辆的位置。 在这种情况下，系统依赖于已知的车辆起点及其它传感器（如速度和方向传感器）来计算其位置。

图 6：导航。

导航系统通常与车辆的娱乐系统集成在一起，可访问车辆的音频系统和显示屏。 这种集成式系统称为“信息娱乐系统”。 集成这些系统的主要好处在于直接。 这两个系统都涉及与驾驶员的频繁互动，尤其是音频系统。 两套系统结合后，导航系统可以轻松访问并中断音频系统，向驾驶员传递重要的信息。

图 7：信息娱乐。

发动机控制模块

发动机控制模块 (ECM) 是现代汽车中最强大且最昂贵的子系统。 一般而言，它可控制整个车辆的发电和配电。 ECM 一般由一个 32 位微控制器（运行速度可达 100 MHz，含几兆字节的系统存储器）、各种访问其它子系统的网络接口和几十个输入输出控制系统组成。 它接收各个控制系统的输入，并将其与发动机的当前状态一起输入到管理各发动机组件的发动机控制模块。

在电子 ECM 之前，发动机设计人员需要在设计中权衡发动机行为，但在引入现代的 ECM 后，发动机行为可实时变化，允许用户采用不同的性能曲线。 由于 ECM 能够实时变化，因此极大地提高了发动机的性能和效率。

图 8：发动机控制模块。

Cypress F-RAM 的优势在于系统记录其当前状态的方式。 由于一些组件的磨损，在非易失性存储器中存储当前状态，可使系统从启动起便能高效工作。同时，由于系统并不知道何时断电，它必须一直存储系统状态，因而需要 F-RAM 的高写入耐久性。

自动驾驶员辅助系统

自动驾驶员辅助系统 (ADAS) 是一个旨在防止车辆驾驶员发生事故的安全系统集合。 这些系统包括自动紧急制动 (AEB)、车道检测预警 (LDW) 及自适应巡航控制 (ACC)，这就需要能够记录并存储实时数据。

这三种系统采用可视或雷达形式的前视成像来检测车辆是否符合安全指引。 在 ACC 中，雷达用于保持车辆前方的最小时间间隔。 在 AEB 中，雷达用于检测车辆是否过快靠近障碍物并进行制动。 在 LDW 中，前方摄像头用于检测车辆前方的车道线，并确定车辆是否漂移出车道。

F-RAM 汽车零件矩阵

相比 EEPROM 和闪存，Cypress 的 F-RAM 具有三个可用于识别特定应用的主要优势：

• F-RAM 是瞬态非易失性存储器，因而非常适合用于对时间有精确要求的应用。在这些应用中，重要数据通常面临系统故障的风险，如数据记录仪。
• F-RAM 的写入耐久性达到 10¹⁴，而 EEPROM 为 10⁶，闪存则为 10⁵，因而非常适合用于瞬态写入数据的跟踪数据记录仪。
• F-RAM 对写入电源要求较低，因而适合用于配有独立电源的应用，如电池或电容。

此外，F-RAM 更能适应外部温度，这意味着在工作温度上升时其写入耐久性和数据保留时间更佳。 许多 EEPROM 耐久性规格为 85°C，因而不适合要求 125°C、而 EEPROM 耐久性在 105°C 时降低的汽车应用。

表 1 列出了 Cypress 的 F-RAM 产品线及其关键参数。

零件号	密度	I/O	电压	温度	I/O 速度	耐久性	85°C 下的保留时间
CY15B128J-SXA	128 Kb	I²C	2 V– 3.6 V	–40°C–85°C	3.4 MHz	1014	100 年
CY15B256J-SXA	256 Kb	I²C	2 V–3.6 V	–40°C–85°C	1 MHz	1014	100 年
FM24CL64B-GA	64 Kb	I²C	3 V–3.6 V	-40°C–125°C	1 MHz	1014	100 年
CY15B102Q-SXE	2048 Kb	SPI	2 V–3.6 V	–40°C–125°C	20 MHz	1014	100 年
CY15B128Q-SXA	128 Kb	SPI	2 V –3.6 V	–40°C–85°C	40 MHz	1014	100 年
CY15B256Q-SXA	256 Kb	SPI	2 V –3.6 V	–40°C–85°C	40 MHz	1014	100 年
FM25040B-GA	4 Kb	SPI	4.5 V–5.5 V	–40°C–125°C	14 MHz	1014	100 年
FM25640B-GA	64 Kb	SPI	4.5 V–5.5 V	–40°C–125°C	4 MHz	1014	100 年
FM25C160B-GA	16 Kb	SPI	4.5 V–5.5 V	–40°C–125°C	15 MHz	1014	100 年
FM25CL64B-GA	64 Kb	SPI	3 V–3.6 V	–40°C–125°C	16 MHz	1014	100 年
FM25L04B-GA	4 Kb	SPI	3 V–3.6 V	–40°C–125°C	10 MHz	1014	100 年

表 1：Cypress 的汽车 F-RAM 产品线。

F-RAM 的主要应用

总之，F-RAM 是一种高耐久性、可按字节寻址的、低功率非易失性存储技术，且没有写入延迟。 这种技术的理想应用场合包括需要非易失性存储器且能充分利用 F-RAM 写入耐久性或写入速度的系统。

写入耐久性很重要的应用系指基于时间的数据记录仪，它们需要能够记录并存储事件发生前后的数据。 具体实例包括事故记录、自适应巡航控制、气囊记录仪、自动紧急制动、电池管理、发动机控制、事件数据记录仪和胎压监测。

而写入速度很重要的应用系指重要数据通常出现在系统故障时的应用。 具体实例包括事故记录仪、电池管理、胎压监测、导航和发动机控制。