美國新頒布的高速公路安全法規使輪胎壓力監測系統(TPMS)成為汽車工業中發展最快的領域。2005年4月，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)發布了壹項最終法規，要求所有總重小於或等於4，563 kg的車輛(單軸雙輪車除外)都應配備TPMS。到2007年9月1日，制造商生產的所有輕型車輛必須滿足本標準的要求。美國每年生產約17萬輛汽車，這為TPMS創造了壹個快速增長的市場。預計到2008年，TPMS在全球汽車市場的滲透率將超過30%。圖1:TPMS輪胎模塊總成框圖。
值得註意的是，這壹規定對直接和間接制度的態度在技術上是中性的。然而，市場研究機構Strategy Analytics的預測顯示，直接系統技術將成為主流技術，其份額將在2008年後超過95%。直接TPMS在每個輪胎中都有輪胎壓力傳感器，通過射頻(RF)信號將壓力和其他信息傳輸到中央接收器。而間接TPMS沒有壓力傳感器，需要依靠ABS系統中的速度傳感器來檢測和比較輪胎速度的差異。雖然直接TPMS的成本較高，但該系統具有明顯的性能優勢，如較高的靈敏度、零速測量和多輪胎放氣檢測。本文重點討論直接TPMS，並將討論工程師面臨的設計挑戰，包括元件選擇、電源管理、介質兼容性、系統成本和RF設計。TPMS的輪胎模塊由MEMS壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速度計、微控制器、射頻電路、天線、低頻接口、振蕩器和電池組成。汽車制造商要求直接TPMS電池能使用十年以上。電池的工作溫度必須為-40°C至125°C。電池重量輕、體積小、功率高。由於這些限制，通常選擇紐扣電池而不是大電池。新的紐扣電池重量僅為6.8克，可達到標準的550mAh功率。除了電池之外，為了實現十年以上的工作壽命，組件必須同時具有集成的功能和低功耗。英飛淩SP30就是這樣壹款集成產品，它將壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、加速度計、LF接口、微控制器、振蕩器集成在壹個組件中。壹個完整的輪胎模塊系統只有三個部件——SP30、射頻發射芯片(比如英飛淩的TDK510xF)和電池。功耗管理模塊上市的時候，更換電池是不現實的。由於這壹限制，電源管理對於設計工程師來說尤為重要。有四種方法可以降低功耗。其中之壹是選擇低功耗元件，使用具有集成功能的元件，減少元件數量。第二種方法是使用軟件。高效的算法可以調整傳輸和測量頻率。在軟件設計中，高效的算法可能要考慮這些問題:數據傳輸和測量的頻率是多少？有必要發送重復數據嗎？什麽是系統顯示模式？射頻傳輸的功耗最大，所以延長傳輸間隔，減少計算次數，重復數據傳輸，自然會延長電池的壽命。然而，我們必須在所有這些因素、數據可靠性和用戶及時獲取信息之間取得平衡。降低功耗的第三種方法是使用內置加速度計的傳感器(如SP30)來檢測車輪的運行情況。當車輛停放時，TPMS可以停止運行以節省電力。在大多數情況下，車輛停放的時間要比實際行駛時間長得多。因此，這種方法可以大大節省電力。使用低頻(LF)接口也是降低功耗的壹種方式。通過低頻接口，中央接收器模塊可以向始終處於待機模式的輪胎模塊發送指令和數據。只有在接收到“喚醒”信號後，輪胎模塊才會進行測量並發送數據。這樣，輪胎模塊的電池壽命可以大大延長。除了省電，低頻接口還帶來了靈活的設計和額外的功能。例如，在更換輪胎後，低頻通信允許系統自動識別輪胎。帶低頻輸入接口的SP30可以解決這個設計問題。媒體兼容性圖2:英飛淩的TPMS解決方案。
傳感器的介質兼容性和可靠性對TPMS非常重要。如果沒有這些關鍵特性，整個系統的準確性和可靠性將成為問題。輪胎模塊放在輪胎內部，所以電子元件面對的是輪胎內部的惡劣環境。電子元器件會在-40°C到125°C的溫度範圍內工作，會受到水分、灰塵、剎車油等其他介質的攻擊。介質兼容性確保傳感器得到充分保護。TPMS的傳感器特別容易腐蝕，因為它的壓力入口必須與空氣接觸，以監測周圍的壓力。英飛淩的傳感器包括壓力感應元件和加速度感應元件(可選)。傳感器模塊是三層堆疊模塊(玻璃-矽-玻璃)。絕對壓力參考值從頂部玻璃的真空室中獲得。由於壓力入口朝向矽層的背面，傳感器組件具有良好的介質兼容性。使用這種專利的三層堆疊技術，英飛淩傳感器(如SP30)實現了非常好的介質兼容性。系統成本該系統由壹個接收器模塊和四個輪胎模塊組成，在商業成功中起著重要作用。好的解決方案是使用具有集成功能的元件，減少元件數量、工作功耗和PCB尺寸，最終降低系統成本。使TPMS和RKE接收機共享同壹平臺還可以降低系統成本。然而，這在商業上並不總是可行的。射頻設計第壹代TPMS的發射芯片采用ASK調制技術設計，合適的發射頻率由SAW***振子產生。這樣的ASK系統非常便宜，但是攜帶發射器的輪子的旋轉會導致接收到的場強發生變化。為此，目前的TPMS在晶體振蕩器和鎖相環頻率合成器的基礎上，采用FSK調制產生中心頻率和頻率牽引。在許多OEM應用中，即使車輪高速運轉，FSK也能提供可靠的RF通信。英飛淩超高頻發射機系列TDK510xF可以為這種TPMS應用提供最佳解決方案。TDK510xF系列器件可用於不同頻段(315、434、868和915MHz)，可進行ASK和FSK調制。該器件包括壹個完全集成的PLL頻率合成器和壹個高效功率放大器，用於驅動環形天線。當射頻輸出功率為5dBm，電阻為50ω時，典型功耗為7mA(可視為最低功耗)。該器件的工作溫度範圍為-40°C至125°C，采用小型P-TSSOP-10封裝。除了發射機產品，英飛淩還擁有多種不同頻段的接收機和收發芯片，如TDA521x接收機芯片，廣泛應用於TPMS和RKE的應用。英飛淩的無線芯片只需要很少的外部元件，環路濾波器和VCO電路集成在壹起。其特點還包括低運行電流和良好的靈敏度。英飛淩的TPMS解決方案英飛淩通過集成傳感器和射頻無線芯片，提供完整的TPMS系統解決方案。從圖2可以看出，SP30或SP12(不帶MCU)可以與輪胎模塊中的TDK510x發射芯片配合使用。在接收機端，TDA521x可以與任何8位或16位MCU配合使用。1997年，英飛淩的TPMS傳感器投產，至今總產量已達數千萬。隨著大量產品在市場上被使用和測試，英飛淩的大規模生產能力得到了認可。英飛淩的TPMS傳感器有很多優點，包括:數字接口(SPI)為獨立的TPMS傳感器(SP12/SP12T)帶來了靈活的設計；
針對各種OEM應用實現了大規模部署；
優秀的介質兼容性和可靠性；
在生產過程中進行全面的補償和校準；
低功耗；
易於識別的唯壹傳感器ID；
超寬工作溫度範圍(-40°C至125°C)；);
片內加速度計監控車輪旋轉(可選)；
片上微控制器減小PCB尺寸和系統成本(SP30)；
片內溫度和電壓傳感器；
片內LF(低頻)輸入接口實現雙向通信；
精確的氣壓測量(7千帕)；
使用EROM進行批量生產以降低成本；
異常溫度下關機，避免數據測量不準確；
它可以與射頻無線芯片配合使用，形成完整的TPMS解決方案；
集成RF發射機和低功耗的未來解決方案；
本文總結了工程師在設計直接TMPS時面臨的主要挑戰包括元件選擇、電源管理、介質兼容性、系統成本和射頻設計，這些也是商業成功的關鍵。基於SP30和TDK510xF的解決方案為元件數量和PCB尺寸設定了基準。同時滿足汽車行業10續航要求。新壹代的TPMS將會有壹些革命性的突破。性能提升的同時，功耗、尺寸、重量、成本也將不斷降低。英飛淩計劃在2007年推出名為SP35的單電子模塊，該模塊集成了傳感和發射功能，這意味著MCU、傳感器和射頻發射器將被集成在壹起。到2010，英飛淩有望推出功耗更低的系統。