TPMS压力感应信号调节解决方案

美国90年代末的Firestone事件就是由于轮胎突然爆裂而导致车辆翻覆，造成100多人死亡的惨剧，进而促使柯林顿政府颁佈「交通运输工具召回强化、责任归属与文件管理法案」（TREAD: Transportation Recall Enhancement, Accountability, and Documentation）。此项法案强制要求使用适当的TPM技术，即透过直接或间接的轮胎压力监测，以在胎压严重不足时向驾驶员发出警讯。所有于2007年9月1日后註册的轻型机动车辆都必须遵守该法案规定。该法案从2005年10月开始逐步推行，初期要求20％的註册汽车採用TPM技术，2006年9月以后则将增至70%。

近年来，胎压监测系统（TPMS: Tire Pressure Monitoring Systems）已成为轿车、卡车与机车的标准驾驶辅助功能。首批TPMS产品早于2000年便已上市，并从2003年开始，其年度销售量连年突破一百万件。胎压监测系统能提供汽车驾驶实际的轮胎压力资讯，在轮胎压力低于特定压力范围时发出警告，并帮助汽车驾驶轻松便利地保持轮胎压力，以加强行车安全。根据美国TREAD法案，强制要求使用适当的TPM技术，即透过直接或间接的轮胎压力监测，以在胎压严重不足时向驾驶员发出警讯。部署于汽车中的TPM系统应能准确检测出压力低于冷膨胀压力建议值20％的车胎。

尽管以现成的ABS系统为基础加装间接式TPM系统仅需较低的额外成本，但却无法满足TREAD法案的准确性要求。直接式TPM系统的成本虽较高，却能满足法案要求的准确性。此外，直接式TPM系统还可测量与显示轮胎空气温度，对快速及慢速的漏气发出警讯，以警告车胎穿刺并提醒驾驶注意保持适当的轮胎压力等等。不论车辆处于行驶或停止状态，均可随时监测轮胎压力。并在引擎发动时提供驾驶相关的启动信息。最后还有一点也很重要，直接式TPM系统还可像监测使用中的轮胎一样，测量备用轮胎的胎压。
轮胎压力监测市场前景
到2008年时，美国的轻型轿车都将必备TPMS。光是在美国，路上行驶的车轮数将于2008年到达7千万个（1千6百万车辆/系统乘以4个车轮）（图1）。从全球来看，约1亿2千万个车轮将配备直接式TPM系统。而全球房车、SUV和轻型卡车的生产量预计将由2005年的6千3百万辆，在2010年前增加至7千2百万辆，成长率为2.5%，与TPM系统41%的预期复合平均成长率相比较为平缓。在欧洲，TPMS不仅是高阶车款的功能选项之一，也逐渐演变为标准功能。
　

图1︰美国车辆销售量趋势（预测）
　

不过目前美国汽车消费者不愿多付担因法律强制要求使用胎压监测系统而产生的额外成本，因此汽车制造商一方面让大多数汽车配备相当简单的TPM系统，即只透过仪表板的指示灯来警示轮胎问题。另一方面，他们也透过整个价值链强制降低成本，以降低TPMS可能带来的汽车生产额外成本。

美国境外的TPMS市场也已形成。在欧洲，TPMS不仅是高阶车款的功能选项之一，也逐渐演变为标准功能。例如，雷诺汽车已在其大多数车型中都配备TPMS。而在中国，一家大型电子元件通路商透露，大约有200家公司正在开发TPMS解决方案。此外，在其他某些应用领域（如防爆轮胎）中，TPMS也是必需的。防爆轮胎在低压力下仍能够保持良好的行驶状态，因此更需要轮胎压力监测系统在车胎压力降低时警告驾驶，否则驾驶将很难察觉。

最初，美国TREAD法案计画于2003年颁佈该法律，而原本预计的TPMS过渡期也更短。该法案要求美国国家公路安全管理局（NHTSA）规定，从2005车型年份起在美国销售的轿车、轻型卡车与多功能轿车，须全数安装轮胎压力监测系统作为标准配备。由于汽车产业当时很难即时满足TPMS生产材料与零组件的需求，因此在政策游说下成功地将该法案延至2005年实行。
　

图2︰根据美国TREAT法案而逐步採用TPMS
　

TPMS解决方案
目前TPM系统供应商有Siemens-VDO、Beru AG、LEAR、TRW、Schrader、JCA、Delphi、Continental Teves等。而以飞利浦P2SC晶片结合微机电系统感测器所生产的压力与加速度感应器为例，则是由合作的微机电系统制造商提供给第一层供应商，以智慧感应器为基础建构整个TPM系统或部分系统，如单独轮圈模组部分，再向汽车制造商提供产品。

飞利浦的直接式TPMS解决方案以内建快闪记忆体的P2SC晶片为基础，由一个UHF接收器模组以及数个轮圈模组所组成。每个TPMS轮圈模组都包含一个小印刷电路板，其中安装结合P2SC晶片的智能压力感应器，以及一些离散元件与以SAW或PLL为基础的射频震盪器。该印刷电路板採用锂电池供电，所有元件都放至一个硬塑胶封装中，充气阀可附加于封装上，并作为UHF天线之用。由于TPM系统所需要的UHF接收器模组，原则上与遥控开锁系统上的模组完全相同，可共用同一个UHF接收器，进而降低汽车制造商的生产成本。
　

图3︰直接式轮胎压力监测系统概述
　

图4︰飞利浦第一代P2SC晶片的典型应用
　

为将测量的轮胎压力与温度值发送到仪表板，UHF发射器必须连接至飞利浦P2SC晶片。由于第二代飞利浦P2SC晶片已整合FraNTIC发射器模组，因此不再需要此连接。当P2SC晶片处于断电状态时，外部的UHF发射器仍会消耗一些电量，但整合的FraNTIC发射器则会完全切断电源，因此不会消耗任何电量。由此可知，整合至晶片上的UHF发射器可降低新一代TPM系统的功耗。

FraNTIC发射器模组使用非整数锁相迴路(fractional-N phase locked loop)。此模组专为飞利浦P2SC晶片设计，以实现高度灵活性。借助晶片上FraNTIC发射器，客户可轻易透过软体进行一些简单的硬件配置，以达到各种传送速率，应用不同的载波信号频率与输出信号功率，完全无需对硬件进行任何修改。从2006年第二季开始，FraNTIC还可作为一个独立设备应用，其功能也可透过展示基板供评估。

车轮定位
在某些中阶至高阶的汽车应用中，汽车所有的轮胎温度与压力信息需要分别显示给驾驶参考，即使轮胎因维护保养而被调换，也应能够做到这一点。常见的车轮定位解决方案有用LF唤醒信号，与透过使用加速度感应器与测量UHF信号功率来确定轮胎位置两种。

使用LF唤醒信号方案，在每个轮圈模组中都整合一个LF接收器，并在每个轮圈模组旁安装一个LF发射器。每个LF发射器负责唤醒旁边的轮圈模组。中央控制器则依次唤醒全部四个轮胎，进而准确知道测量值来自哪个轮胎。此解决方案技术上非常可靠，但由于要安装4个LF发射器，并且需为LF发射器额外佈线，因此生产成本也相对提高。透过使用加速度感应器与测量UHF信号功率来确定轮胎位置的方案，除在每个轮圈模组中将压力感应器连接至飞利浦P2SC晶片之外，亦需连接一个加速度感应器。加速度感应器可检测汽车是否正在行驶。

在新一代P2SC晶片中，可连接第二个加速度感应器。当汽车正在行驶时，此加速度感应器便可检测车轮是朝顺时针方向还是逆时针方向旋转。朝顺时针方向旋转的车轮必须位于汽车的左侧，而朝逆时针方向旋转的车轮则必须位于右侧。UHF接收器端则可测量所接收的UHF信号强度，进而透过传送至UHF接收器的信号强度差异来区分讯号来自于前轮或后轮。当汽车处于停靠状态时，系统可能无法区分左轮与右轮。但只要利用独特的轮胎识别，此问题便可迎刃而解。在成功确定全部四个轮胎的位置后，轮胎识别便与其各自的位置有关。当汽车处于停靠状态，系统可以透过所储存的轮胎识别与位置的相关性确认轮胎位置。
总结
2000年，美国的TREAD法案推动胎压监测系统，准确来说是直接式TMP系统的市场需求。以多年累积的遥控开锁系统设计、开发技术与经验为基础，飞利浦半导体已成功设计出P2SC，为实现高整合度、低成本与高可靠性的直接式TPMS解决方案奠定基础。遥控开锁系统与TPM系统採用相同的数据传送原理。在遥控开锁系统中所使用如无线接收器或收发器等元件，都可由汽车制造商重新用于TPM系统中。这两种系统皆需要外部电池供电，并可节省电源消耗。

预估2008年美国的TPMS需求量将达到1千6百万件，约需7千万件以感应器信号调节晶片为基础的轮圈模组。就全球市场而论，感应器信号调节晶片的需求量可望于2008年达到1亿2千万件。能实现低电源消耗、简单的系统整合、低生产成本与高可靠性的决方案是TPMS持续追求的目标。