汽車市場用的 F-RAM™

作者：James Tomasetta

2015-06-10

介紹

汽車對電子元件的依賴度逐年提升。之前採用機械架構的系統已經轉用電子控制單元 (ECU)。汽車安全性與使用者娛樂系統的新型系統帶來了更高的複雜性以及更多的資源需求。

汽車電子子系統概述

汽車電子分為多種獨立但彼此相連的子系統。各個子系統都具有專屬任務，並且涵蓋不同的層面及複雜度，包括從簡易的無線電控制介面到複雜的防撞系統。然而，這些子系統皆共用一些基本架構，例如微控制器單元 (MCU)；採用 CAN、OBD2 及近年來盛行之乙太網路形式的系統匯流排介面；輸入感測器；以及輸出控制邏輯。另外，許多子系統必須立即且持續儲存資料，因而在效能及耐久性設計上有所要求，而 Cypress 的鐵電隨機存取記憶體 (F-RAM) 符合這些要求。

汽車電子子系統隨處可見示意圖

圖1：汽車電子子系統隨處可見。

利用 F-RAM，系統即可以完整的匯流排速度連續儲存資料，不需要其他記憶體，並可省下管理記憶體耐久性的開銷。這是因為 F-RAM 具有立即非揮發性，無需額外的持溫時間即可儲存資訊，並且具有 10¹⁴ 次寫入耐久性，反之絕大多數 EEPROM 和快閃記憶體僅有不到 10⁶ 次。

雖然許多系統都需要儲存資料，但本文著重在可運用 F-RAM 優勢的系統。舉例來說，簡易型無線電 ECU 需要儲存使用者預設資料及目前狀態。使用者預設值不太可能頻繁更動，所以在設定後，通常都會儲存於 ROM 中。相反地，目前狀態則會頻繁更動，但將其還原則不那麼重要，所以在簡易型無線電糸統上加裝非揮發性記憶體並無意義。也就是說，更先進的娛樂及導航系統才可能會有利用 F-RAM 優勢的用途。

本文檢視了五種汽車子系統（電池管理、胎壓監測、防鎖死煞車、安全氣囊展開以及事件資料記錄器），並且找出各系統中運用 Cypress 的 F-RAM 產品的主要功能優勢。

電池管理

電池管理系統 (BMS) 是一種電子控制系統，能監測並控制電動車及油電混合車的電池系統。此單元的主要功能是保護每個電池以免受損、延長各個電池的壽命，並且即時配電給汽車。

BMS 能獨立監測各個電池的操作參數。這些參數包括電池電壓、電池電流（充電及放電）以及電池溫度。現代化鋰離子電池具有非常高的電荷密度（能量儲存）及高電流消耗（低內部電阻），但需要非常嚴格的操作控制。過度充電或過度放電是造成鋰離子電池故障的主要原因之一。因此，BMS 對任何採用鋰離子電池的系統都很重要。

在現代化電動車及油電混合車中，BMS 會與其他汽車子系統介接，例如控制電力傳輸的引擎管理系統、再生煞車的煞車子系統、關閉電源的安全子系統，以及通訊與車用資訊娛樂等車廂子系統。

圖 2 顯示 BMS 及其相連子系統的配置。基本系統包括在各電池中維持適當電荷的等化器以及監測電池的 ECU。 ECU 會收集各個電池的溫度及電壓資訊，以及其他子系統的電氣請求，並且引導等化器在電池間維持均衡的電荷。電量較少的電池會較常充電，電量較多的電池則較常用於因應能量請求。這有助於延長電池組的總壽命。

電池管理系統的圖片

圖 2：電池管理系統。

ECU 必須能夠根據不同電池技術（主要為鋰離子和鎳氫電池）進行編程。本系統還必須能夠監測短期（最後幾次充電循環）及長期（使用壽命）電池效能。這對於達到最長電池續航力至關重要。此外，短期監測更具有獨特的要求，需達到每秒 60 次，因此能讓 Cypress 的 F-RAM 成為汽車應用的理想記憶體技術。

胎壓監測

胎壓監測系統 (TPMS) 可監測所有輪胎的內部胎壓，並且回報是否有任何充氣不足的狀況。自 2012 年起，歐洲及美國即強制要求所有新車都必須配備此子系統。本系統由兩個重要模組所組成：無線壓力感測器以及無線接收器／數據記錄器。壓力感測器的主要要求是必須能夠自行供電，並且耐受環境施加於輪胎的力量。 Cypress 的 F-RAM 對功率的要求低，因此是在感測器模組上當作資料儲存器的理想選擇。

無線接收器／數據記錄器必須能夠儲存來自所有感測器的數據，並且在達到觸發點時為使用者提供警報。 Cypress 的 F-RAM 具有增強的耐久性，因此能更詳盡地偵測漏氣情況。

胎壓監測示意圖

圖3：胎壓監測。

儲存更多的壓力記錄後，TPMS 不僅能在低壓事件時觸發，還能提醒使用者注意長時間下的緩慢漏氣情況。此胎壓記錄在調查配備故障及意外事故時亦有參考價值。圖 3 顯示 TPMS 的基本系統設計。

防鎖死煞車

防鎖死煞車系統 (ABS) 能預防輪胎在煞車過程中鎖住。其屬於汽車安全系統中極為重要的一部分，並且有助於在濕滑及結冰道路上提供更好的煞車及轉向性能。本系統係藉由獨立調整各個輪胎上的煞車壓力來運作。此系統在傳統煞車系統上加裝液壓調變器，以及控制調變器用的 ECU。此系統本身不需要大量非揮發性記憶體也能運作，但是在 TPMS 子系統中，若可保留事件的歷程記錄，將是判斷導致意外之事件的寶貴資源。

用來記錄最後幾秒或幾分鐘系統事件的滾動式緩衝器需具備非揮發性、快速寫入以及高耐久性。 Cypress 的 F-RAM 完全符合這三項系統要求。其具有零延遲寫入特點，因此沒有遺失最重要記錄的風險。另外，此記憶體具有 10¹⁴ 次寫入耐久性，因此能符合系統的生命週期要求。圖 4 顯示基本的 ABS 設計。

防鎖死煞車示意圖

圖4：防鎖死煞車。

安全氣囊展開

安全氣囊展開子系統是一系列「輔助約束系統 (SRS)」子系統中的主要系統。 SRS 可搭配安全帶等傳統約束系統使用。其具有兩個重要零組件：正面可膨脹氣囊以及碰撞／加速計。若要在發生意外事故時達到所需的氣囊膨脹性能，就需使用加壓氣罐。因此安全氣囊是單次使用系統，並且會對車內其他零組件造成破壞。故展開的代價頗為昂貴。

安全氣囊展開示意圖

圖5：安全氣囊展開。

基於安全性要求以及更換成本，製造商已在座椅上加裝多種額外的感測器來監測並記錄乘客。包括用來啟用安全氣囊子系統的乘客佔位壓力感測器，以及能提升安全氣囊系統效能的多種位置感測器。位置數據會不斷更新，並且必須在系統展開當時甚至之後都不斷進行儲存。 Cypress 的高效能、低功率及高耐久性 F-RAM 能符合不斷記錄位置數據並儲存在非揮發性記憶體內的要求，因此是理想的解決方案。

事件資料記錄器

事件資料記錄器 (EDR) 子系統能監測並記錄汽車在碰撞之前及之後的相關運作資訊。此系統也稱為「黑盒子」，是一套獨立系統，會連接其他子系統並監測其資料，依照時間順序記錄事件。

EDR 子系統由兩個主要區塊組成：網路介面及非揮發性記憶體。自 2014 年起，美國的大部分汽車都必須配備 EDR。由於車內眾多子系統所產生的數據都必須要儲存，因此非揮發性記憶體的寫入效能及直接記憶體定址能力至關重要。

大部分 EEPROM 及快閃記憶體都有 5 毫秒的寫入延遲，在這期間元件無法存取，而且斷電可能會導致數據遺失。 Cypress 的 F-RAM 具有零寫入延遲；具體而言，本元件在介面的下一個匯流排時脈發生前即已備妥可以運作。其他多種非揮發性記憶體另外需要分頁層級的讀取、修改、寫入程序，才能儲存單一位元組的數據，但 Cypress 的 F-RAM 可直接進行位元組定址，因此數據寫入後就無需再修改。

導航及車用資訊娛樂

導航系統能讓汽車駕駛定位目的地，並且取得到達目的地的路線。大部分導航系統都使用全球定位系統 (GPS) 訊號及電子地圖協助駕駛導航到目的地。

受到建築物及其他障礙物影響而暫時無法使用 GPS 時，導航系統必須在啟動時使用前一次電力循環的位置資料，藉此定位汽車的位置。在此情況下，系統會透過已知的汽車起點，以及速度與方向等其他感測器來計算其位置。

導航示意圖

圖6：導航。

導航系統通常會跟汽車的娛樂系統整合，因此能使用汽車的音響系統及顯示器。這種複合式系統稱為「車用資訊娛樂系統」。結合這些系統的主要優點相當明顯。兩種系統都涉及不少駕駛互動，尤其是音訊。系統結合後，導航系統便可輕易取用及中斷音訊系統以傳遞重要的駕駛資訊。

車用資訊娛樂示意圖

圖7：車用資訊娛樂。

引擎控制模組

引擎控制模組 (ECM) 是現代化汽車中最強大且最昂貴的子系統。一般而言，其控制車內有關發電及配電的所有層面。 ECM 一般含有 32 位元微控制器，能以超過 100 MHz 頻率運作，並具有數百萬位元組的系統記憶體；存取其他子系統的多種網路介面；數十種輸入與輸出控制系統。 EMC 會從各種控制元件取得使用者輸入項目，並連同引擎目前的狀態，一同輸入到主導引擎零組件的引擎控制模型中。

在電子 ECM 問世前，引擎設計人員需要在設計中平衡引擎的行為，但在引進現代化 ECM 後，引擎行為會即時調適，因此能讓使用者套用不同的性能設定。 ECM 可即時調適，因此可大幅改善引擎的性能及效率。

引擎控制模組圖片

圖8：引擎控制模組。

Cypress 的 F-RAM 優點在於系統記錄其目前狀態的方式。由於有些零組件會磨耗，將目前的狀態儲存在非揮發性記憶體中，就能讓系統從一開機便有效地運作。加上系統不知道電力何時會中斷，因此必須持續儲存系統狀態，而這就需要 F-RAM 的高寫入耐久性的支援。

自動駕駛輔助系統

自動駕駛輔助系統 (ADAS) 是一套預防駕駛發生意外事故的安全系統組合。這些系統包括自主緊急煞車 (AEB)、車道偵測預警 (LDW) 以及主動式巡航控制 (ACC)，而且必須能即時記錄並儲存資料。

這三個系統採用特定的視覺或雷達形式前視成像，偵測汽車是否遵守安全準則。 ACC 使用雷達讓汽車前方保持最小的時間間隔。 AEB 則使用雷達偵測汽車接近障礙物的速度是否太快並進行煞車。 LDW 則使用前置攝影機偵測汽車前方的車道線，並且判斷汽車是否偏離車道。

F-RAM 汽車零件矩陣

相較於 EEPROM 及快閃記憶體，Cypress 的 F-RAM具有三項主要優勢，可用於特定應用：

F-RAM 具有立即非揮發性，因此非常適合用於需要精密計時的應用，例如資料記錄器，否則若系統故障，最重要的資料往往有遺失的風險。
F-RAM 具有 10¹⁴次的寫入耐久性，反之 EEPROM 只有 10⁶ 次，快閃記憶體僅有 10⁵ 次，因此非常適合用於需持續寫入資料的後續資料記錄器。
F-RAM 具有較低的寫入功率要求，因此適用於具有電池或電容等獨立電源的應用。

F-RAM 也更能適應外部溫度，亦即，當工作溫度升高時，其寫入耐久性及資料保存能力較能維持。許多 EEPROM 耐久性的規格係依據 85°C 設定，由於 EEPROM 的耐久性在高達 105°C 時就會降低，因此對於需要 125°C 的汽車應用並不適用。

表 1 列出 Cypress 的 F-RAM 品項及其主要參數。

零件編號	密度	I/O	電壓	溫度	I/O 速度	耐久性	85°C 下的保存能力
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