車用半導體關鍵元件中所指的ECU、MCU及感測器是什麼

5 12 月, 2021 宅男生活

從汽車市場消費者的需求面做觀察，「便利」、「安全」、「節(潔)能」已是三大明確訴求，這代表著消費者對汽車的「智慧化」、「節能化」的渴望，也一再激勵車用電子技術研發能量。在各大車廠的努力之下，如今汽車電子化程度逐漸升高，汽車電子成本佔汽車整體成本比例已從 1980 年代的 2～3% 拉升到現在的 40～50%。然而要如何達到智慧化與節能化？

首先，智慧化可分為兩大主軸：一、結合資通訊技術提供給駕駛人及乘客各種娛樂以及行車資訊；二、幫助駕駛人減少開車所需耗費的精神，甚至做到超越人類對傳統機械控制所可達到的安全效能。無論上述哪一類型，皆要求汽車可自行透過各種技術去偵測環境，分析資訊後做出適切的反應，很聰明、很有效率，且精準符合需求。

這樣的運作流程與現在發展火紅的物聯網非常相似。運行主要分成三層，從資料取得、資料處理再向驅動器（致動器）發出指令，一切都由汽車電子來完成，幫助駕駛人達到「便利」、「安全」、「節能」三大目標。正如目前可見的汽車電子各大領域產品，皆有其功能所需的各種關鍵半導體及元件，而 ECU、MCU 及感測器是遍及各種系統可謂最重要的元素，以下是對這三項元件需要有的簡單認識：

ECU

認識汽車電子的第一步，必須先了解的就是電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）。幾乎每一項汽車電子系統內都有這項核心角色，一個 ECU 可說就是一部嵌入式電腦，用來控制汽車的各大系統，內部的組成零件有微控制器（MCU）、輸入、輸出迴路、AD（類比與數位）變換迴路、電源元件、車內通訊電路等。如前圖所示，車內各種不同的系統控制都需要仰賴 ECU，因此隨著系統複雜程度的提高，車內 ECU 的數量也逐漸攀升，資料顯示，目前雙 B 的高階車款，一台車上已有上百個 ECU。

MCU

微控制器（microcontroller, MCU）的應用最多在消費性電子商品上，而第二大就是汽車電子的應用。在 ECU 中最重要的 MCU，就是將中央處理器（CPU）、記憶體、各種輸入 / 輸出介面、定時 / 計數器（timer/counter）都整合在一塊 IC 上。根據內部資料匯流排頻寬，WSTS（世界半導體貿易統計組織）將 MCU 分為 4 位元、8 位元、16 位元與 32 位元四種等級。隨著應用領域的複雜度，適用不同等級的 MCU，在車用領域，以飛思卡爾（Freescale）提供的 MCU 系列產品為例，簡易的功能系統，如車內空調、車窗，後照鏡等，可使用成本較低的 8 位元 MCU；對 MCU 的運算處理能力要求較高的煞車、安全氣囊、車身穩定控制，使用的是16位元；而今越朝智慧化邁進的同時，32 位元已躍上主流規格，如多媒體、娛樂、駕駛資訊等較高階的電子化資訊系統皆多採用此規格。

感測器

車用電子的 ECU / MCU 負責資料處理運算，此外最重要的就是負責蒐集資料的各種感測器。以建構駕駛輔助系統來說，就使用了影像感測器、毫米波雷達、雷射雷達、加速度感測器、角速度感測器、車輪速度感測器，胎壓感測器等，而在眾多感測器中，影像感測器越來越受到重視。

隨著影像技術的進步及車廠對系統整合能力的提升，讓分布於車輛內外多個影像感測器資訊，得到全面性的應用，彌補了人類視覺上的不足，達到駕駛輔助及安全提升。例如車道偏離警示系統、停車輔助系統、盲點偵測系統、倒車警示等單一系統都可以為駕駛人的行車安全做加分。而進一步將這些系統做整合，可以建構的就是一個更全面、安全且舒適的駕車環境，這也是目前汽車朝向智慧化甚至前往終極目標–自動駕駛的主要途徑。

適應環境能力要求

關鍵元件除了在功能開發與處理能力必須跟上應用腳步外，在運作環境上比起一般消費性電子，甚至工業用半導體，車用半導體必須面臨更多挑戰。汽車必須適應不同國家的氣候環境並且兼顧長期移動及安全性，因此，除了在車身內裝的車載系統所需 IC 元件對環境要求較低以外，其餘多數的車用電子零件必須在嚴苛的環境下進行運作。以可忍受環境溫度來說，對一般 IC 的要求最多為零下 10°C～70°C，但對車用電子的要求必須從零下 40°C～155°C，並且達到千餘次循環，再加上抗濕負載，抗高溫、耐震、故障率的要求都比一般消費性電子零件要求嚴格許多。

再加上汽車的使用年數較長，所以操作年限與耐用度也受到嚴苛考驗，零件供貨年限甚至要超過 30 年，這些都是造成車用半導體市場與其他應用市場的差異所在。