【導讀】面對復雜的系統設計挑戰，工程師們一直在努力尋求最簡(jiǎn)單的解決方案，汽車(chē)應用領(lǐng)域的 eCall 設計也不例外。在本博客文章中，我們將回顧系統設計人員如何進(jìn)行汽車(chē)應用設計，以及新型 eCall 解決方案如何優(yōu)化整個(gè)平臺。我們還將分享一些射頻設計專(zhuān)業(yè)知識和集成解決方案，幫助應對 eCall 應用中一些嚴苛的產(chǎn)品挑戰。
什么是 eCall？
e-Call 是歐洲的一種車(chē)輛緊急呼叫系統，可在交通事故中提供快速援助。其目標是保障生命安全、減輕傷害以及減少財產(chǎn)損失。以下是它的工作原理：當發(fā)生事故時(shí)，它會(huì )通過(guò)車(chē)輛的傳感器自動(dòng)激活緊急呼叫或 eCall。然后，該系統會(huì )自動(dòng)打電話(huà)給歐洲急救服務(wù)112呼叫中心。將會(huì )有一條電話(huà)線(xiàn)接通急救中心，通過(guò)全球定位系統發(fā)送事故確切位置的詳細信息。接下來(lái)，緊急調度中心會(huì )向該地點(diǎn)提供適當的援助。
自 2018 年起，在歐盟銷(xiāo)售的所有汽車(chē)和貨車(chē)都必須安裝 eCall 系統。其基本理念就是縮短應急響應時(shí)間，以減少傷亡等事故。據 Thales Group 稱(chēng)，該系統在城市地區的響應時(shí)間可縮短 40%，在郊區可縮短 50%。此外，它還可以將事故死亡人數減少至少 4%，重傷人數減少 6%。
從可靠性角度來(lái)看，eCall 系統必須具有靈活性，因為當事故發(fā)生時(shí)，電池的電源線(xiàn)可能會(huì )被切斷，電子設備可能會(huì )斷開(kāi)連接或損壞。因此，需要小型電池之類(lèi)的備用電源，以便 eCall 系統能夠在惡劣環(huán)境條件下有效運行。
傳統的緊急呼叫方法
傳統的 eCall 系統有多個(gè)開(kāi)關(guān)，以便向多個(gè)天線(xiàn)提供射頻路徑。這些開(kāi)關(guān)需要匹配和電源電路才能運行，這意味著(zhù)設計可能會(huì )耗費大量時(shí)間，其外形尺寸可能會(huì )很大，且射頻損耗范圍可能比較廣泛。此外，對于多天線(xiàn)布局，在配置開(kāi)關(guān)陣列的同時(shí)實(shí)現設計靈活性可能會(huì )比較復雜。
以下是傳統設計方法面臨的一些挑戰：
● FR4-PC 板材料要求精心匹配，從而會(huì )增加插入損耗，降低性能。.
● 額外的匹配和電源電路會(huì )提高系統的散熱溫度，從而限制系統的整體性能。
● 當針對不同的天線(xiàn)配置來(lái)配置開(kāi)關(guān)陣列時(shí)，設計靈活性就會(huì )受到限制。
● 與非雙卡雙通 (DSDA) 相比，在實(shí)現更高端設計模型的通用布局方面，DSDA 的能力比較有限。
深入了解
1. Connected Car For Dummies 電子書(shū)
https://cn.qorvo.com/design-hub/ebooks/connected-car-for-dummies
2. 超寬帶：增強互聯(lián)汽車(chē)的定位、安全和安保
https://www.microwavejournal.com/articles/36726-uwb-enhancing-positioning-safety-and-security-for-connected-vehicles
下圖 1 為使用分立式開(kāi)關(guān)的傳統 eCall 設計。圖中有多條射頻路徑，這意味著(zhù)系統工程師必須精心地匹配每一條路徑，以?xún)?yōu)化設計。此外，圖 1 還展示了此類(lèi)系統的復雜性，因為每個(gè)信號都需要針對每條路徑進(jìn)行多個(gè)數字 GPIO 控制（GPIO - 通用輸入/輸出）。這種傳統設計需要對分頻器的 PC 板進(jìn)行精心設計或增設外部分頻器，以滿(mǎn)足適當的布局和更低的射頻損耗需求。
圖 1：傳統 eCall 開(kāi)關(guān)架構示例
通過(guò)集成應對挑戰
通過(guò)在一些射頻路徑上實(shí)現簡(jiǎn)單集成，可輕松地解決復雜性問(wèn)題。雖然這種方法明顯減少了一些復雜性、路徑損耗和匹配挑戰，但對您的設計改進(jìn)沒(méi)有多大的幫助。如圖 2 中所示，集成一些開(kāi)關(guān)確實(shí)有助于減少匹配，無(wú)需使用許多 GPIO 控制，用更少的 MIPI（MIPI — 移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口）控制來(lái)代替，并減少開(kāi)關(guān)的數量。這種方法還可以節省成本，盡管與完全集成的方法相比，實(shí)現的成本節省非常少。
圖 2：具有一定集成度的 eCall 開(kāi)關(guān)架構示例。
如圖 3 和 4 中所示，采用完全集成的方法可實(shí)現圖 2 所示集成無(wú)法實(shí)現的更多改進(jìn)。圖 3 采用 DSDA 開(kāi)關(guān)選項架構，減少了前端匹配和射頻損耗，使用一個(gè) RFFE MIPI 控制，將所有分頻器集成在一個(gè)封裝內，并減少了材料成本和設計時(shí)間。
圖 3：完全集成的 eCall 開(kāi)關(guān)架構示例 — 使用引腳兼容的可選 DSDA (QPC1252Q)。
圖 4 所示設計與圖 3 類(lèi)似，但未集成 DSDA 開(kāi)關(guān)選項架構。然而，它仍需要少量的射頻前端匹配，以提供圖 3 中所示的所有優(yōu)勢。
圖 4：完全集成的 eCall 開(kāi)關(guān)架構示例 — 使用非 DSDA (QPC1251Q) 路由開(kāi)關(guān)。
Qorvo 擴大汽車(chē) eCall 解決方案組合，以改善緊急通信
Qorvo 面向緊急呼叫 (eCall) 的高性能寬帶天線(xiàn)開(kāi)關(guān)有助于確保在事故發(fā)生后與救生服務(wù)保持連接。利用這些開(kāi)關(guān)，車(chē)輛的主蜂窩信號能夠自動(dòng)中繼（或熱切換）至未受損的汽車(chē)天線(xiàn)，以尋求幫助。
Qorvo 汽車(chē)系列產(chǎn)品新增了 QPC1220Q 高線(xiàn)性度寬帶雙刀四擲 (DP4T) 天線(xiàn)路由開(kāi)關(guān)，它的工作范圍完全符合 AEC-Q100 2 級汽車(chē)認證要求。它具有高達 +34 dBm 的熱切換能力，非常適用于所有遠程通信控制單元 (TCU) eCall 和天線(xiàn)路由配置。此外，它還可以減少高達 1 dB 的插入損耗，從而盡可能提高傳遞到外部 eCall 天線(xiàn)陣列的有效功率，即使在信號覆蓋受限的區域，也可以實(shí)現更好的蜂窩和 5G 連接。
緊湊型設計可節省高達 35% 的電路板空間，而傳統設計需要四個(gè)或以上的分立式開(kāi)關(guān)，進(jìn)行相關(guān)匹配以及耗費數月工程資源。這可簡(jiǎn)化并加快多模、多頻段系統的電路板設計。
在 eCall 解決方案中使用完全集成的 QPC1251Q 和 QPC1252Q 可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計，只需一個(gè)芯片即可代替 5 個(gè)獨立開(kāi)關(guān)完成相關(guān)工作。這種設計方法可用于 4G 和 5G 芯片組，無(wú)需使用多個(gè)開(kāi)關(guān)，降低了系統總功耗，同時(shí)允許汽車(chē)制造商連接主天線(xiàn)和輔助天線(xiàn)。在 DSDA 或非 DSDA 解決方案中使用這兩種高度集成組件的好處包括：
● 靈活的單組件解決方案
● 設計簡(jiǎn)單的解決方案，支持復雜的 eCall 天線(xiàn)路由
● 無(wú)需使用多個(gè)開(kāi)關(guān)，也無(wú)需在 TCU 模塊上進(jìn)行射頻匹配
● 可實(shí)現靈活的開(kāi)關(guān)控制
● 提供出色的插入損耗和隔離性能
● 高線(xiàn)性度和低功耗
● 適用于 5G 應用（高達 6 GHz）的寬帶解決方案
● 集成式分頻器，無(wú)需使用外部 PC 板或分立式分頻器
● 完全符合 AEC-100 2 級認證要求的解決方案
從電子角度來(lái)說(shuō)，我們的汽車(chē)越來(lái)越復雜，基本上成為一種新型移動(dòng)設備。隨著(zhù)射頻連接基礎設施日益普及，我們的汽車(chē)將更加安全，彼此之間以及與我們現有無(wú)線(xiàn)生態(tài)系統之間的連接也更加緊密。天線(xiàn)電子設備的集成將有助于加快實(shí)現這種移動(dòng)連接。Qorvo 等半導體公司正努力與汽車(chē)制造商和標準機構合作，以提供高度集成的解決方案，幫助汽車(chē)系統工程師滿(mǎn)足新一代設計的需求。利用集成式 eCall 開(kāi)關(guān)系統解決方案，我們將繼續與客戶(hù)合作，滿(mǎn)足其復雜的設計需求，幫助客戶(hù)打造高品質(zhì)汽車(chē)。
1. Thales Group
https://www.thalesgroup.com/en/markets/digital-identity-and-security/iot/inspired/ecall
2. QPC1251Q
https://cn.qorvo.com/products/p/QPC1251Q
3. QPC1252Q
https://cn.qorvo.com/products/p/QPC1252Q
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