第3章
元器件基础

在开始正式的硬件设计之前，需要花一些时间来整理一下元器件方面的知识。汽车电子的元器件，与商业、工业中使用的器件并不划归在同一类里，它具有自己的一些特性，这也是汽车电子硬件工程师进行产品设计时首先需要注意的。从产业的角度而言，目前汽车半导体和元器件市场基本是国外厂商的舞台，即使在中国市场，排名前十位的也都是国外厂商，它们的市场占有率总共接近70%。如图3-1所示是2021年全球汽车半导体元器件销售额的分析结果。

图3-1 2021年全球汽车半导体元器件销售额

在电子模块的设计中，元器件基本分为被动元器件、分立元器件、集成芯片、传感器和其他部件这几类。从对主要元器件的选择与使用情况来看，大多汽车电子模块采用的仍是国外厂商生产的芯片，很难找到国内芯片的身影。为了企业的模块成本进一步优化，需要对这些芯片的情况有一些基本的认知。

1.被动元器件

被动元器件主要包括电阻、电容、电感和晶振等。汽车电子上应用的被动元器件主要供应商集中于日本企业，极具竞争力的成本优势和技术优势，使得它们牢牢地占据了非常大的一块市场，主要供应商见表3-1。

表3-1 被动元器件主要供应商

2.分立元器件

分立元器件主要包括二极管、晶体管、场效应晶体管（MOSFET）、继电器和智能功率开关等。这部分市场对技术和工艺要求较高，利润也相对较高，以欧美厂商为主，主要供应商见表3-2。整个分立元器件的市场由于芯片化的过程，正在慢慢被集成芯片同化。

表3-2 分立元器件主要供应商

3.集成芯片

由于目前芯片工业的专业化非常强，不同产品都细分成各个小的市场，企业对每块区域有着不同的市场策略。这里对单片机、专用ASIC（Application Specific Intergrated Circuits，即专用集成电路）芯片、低压稳压器、CAN/ LIN芯片等供应商进行一个系统的回顾。由于单片机的选择牵涉的问题非常多，包括软件、成本、硬件等很多问题，因此将在后面的章节中着重介绍单片机。LDO（Linear Drop Out，线性稳压器）厂商较多，有INFENION、ST、ONSEMI、TI和National Semiconductor等公司，几乎所有的欧美厂商都涉足了这类产品。CAN/LIN芯片主要是NXP、INFENION和ATMEL公司在做。某些专用的ASIC芯片如胎压传感器芯片、射频接收器件和电源管理芯片等，各个半导体厂商都有各自相应的汽车等级产品。

4.传感器

传感器主要包括温度传感器、电流传感器等。汽车电子模块本身是很少集成传感器的，大部分传感器都安装在与电子模块分离的车内环境中，因此传感器并不纳入板级采购清单中，但是电子模块却需要对传感器的输出进行调理和采集。在大功率电子模块的应用中，会考虑在内部采用热敏电阻和电流传感器，但是这种情况相对来说比较少。在后面的介绍中，将主要介绍调理电路而不是传感器本身。

5.其他部件

其他部件主要包括连接器、导线和印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）。在连接器市场中，DELPHI和TYCO公司占据了很大的一块市场份额，AMP和KET公司也在中国有较大的市场。国内能够生产完全符合汽车电子要求的PCB供应商并不多，部分全球的PCB厂商在中国有自己的工厂，比如GBM公司等。

对于同一个芯片型号，由不同的厂家提供芯片时，能保证的参数并不完全相同，这是因为芯片工艺和企业质量控制过程不同造成的。对于设计工程师来说，了解和掌握这些元器件的设计和使用的注意事项，并对筛选和选型元器件形成初步的步骤和规范，是必须要掌握的技能。当然，随着汽车电子的发展，对元器件质量控制的要求不断提高，一级零部件提供商的硬件工程师职能也在不断分化，逐渐分为负责具体项目的硬件工程师和支持整个公司研发部门的元器件工程师、功能模块工程师。但对于绝大多数硬件工程师来说，了解这些底层的应用原则和基本结构是很重要的。随着芯片工艺的发展，越来越多的功能和可靠性实质上都是由芯片完成的，硬件工程师需要付出更多的努力来保证选择合适的芯片并使其处在正确的状态下。

就基本的电子元器件成本而言，在电子模块中，集成电路和无源被动元器件分别占生产总成本的46.1%和9.1%，在总安装成本中却分别占12.7%和55.1%。物料清单（Bill of Material，BOM）表只反映了元器件的采购价格，实际上生产和安装也占据了一部分成本，仅重视采购价格而忽略生产中的问题也是不可行的。就元器件的封装而言，为了使模块向小型化、低功耗的方向发展，目前汽车电子模块中大部分都采用了片式元器件（主流是0603和0805两种封装），其中片式电容、片式电阻、片式电感3大无源元件约占片式元器件总产量的85%～90%。贴片元器件具有焊接工艺简单、可靠性较高的特点。

汽车整体的安全性与汽车所有的零部件有密切关系，其底层的汽车电子元器件也有特殊的要求。电子元器件质量的保证和提升不仅与产品的设计、生产相关，也需要严格的管理和控制流程来实现，这正是上一章所介绍的内容。当然前面强调的是电子模块开发过程的控制；对于元器件供应商来说，它们需要面对的是包括汽车电子委员会AEC认证的要求：AECQ100、AECQ101和AECQ200对应集成芯片、分立元器件和被动元器件；对电子零部件企业，有QS9000和IATF 16949的质量管理要求。这里需要注意：直接供给整车企业模块或部件的企业必须通过QS9000和IATF 16949的认证；而零部件企业采用的芯片必须通过AECQ的认证。