提高汽車(chē)電子產(chǎn)品可靠性的電源電路設計考慮

　　將來(lái)在汽車(chē)中，電子產(chǎn)品的應用將變得普遍得多。不過(guò)，如果不采取不同的方法來(lái)解決與日益增多的電子產(chǎn)品有關(guān)的問(wèn)題，那么今天看到的可靠性問(wèn)題注定會(huì )變得更嚴重。以梅塞德斯奔馳為例，在2005年第一季度，由于與其E-Class和S-Class型號有關(guān)的質(zhì)量問(wèn)題，他們不得不注銷(xiāo)6億美元收益。而且問(wèn)題不僅關(guān)系到客戶(hù)滿(mǎn)意度，它也正在變成對行車(chē)安全的擔憂(yōu)。收音機不能正常工作不是什么大事，但是如果電動(dòng)轉向系統失靈，汽車(chē)需要駛到路邊以重啟系統，那問(wèn)題就大得多了！

　　那么可以做些什么來(lái)解決這些令人擔憂(yōu)的問(wèn)題，又不會(huì )倒退回化油器時(shí)代呢？也許可以從日本廠(chǎng)商那里得到啟示。畢竟，雷克薩斯(Lexus)1995年在可靠性上排名第一，2005年仍然位居第一。日本人也成功地實(shí)現了一致的高質(zhì)量標準，不管他們的車(chē)是在哪里生產(chǎn)的。在日本名古屋或美國俄亥俄州生產(chǎn)的汽車(chē)質(zhì)量一樣高。日本人是通過(guò)與供應商緊密合作并在設計階段關(guān)注每一個(gè)細節做到這一點(diǎn)的。

　　客戶(hù)發(fā)現的絕大多數問(wèn)題都源自設計階段而不是生產(chǎn)階段。缺點(diǎn)一旦設計進(jìn)去了，任何工人都不可能在生產(chǎn)中將其剔除出去。另外，沒(méi)有可靠的器件，也不可能造出可靠的汽車(chē)。很明顯，只采用系統級的方法不能解決所有問(wèn)題，系統級和器件級需要齊頭并進(jìn)。

　　因此我們需要用兩步走的方式完成汽車(chē)電子產(chǎn)品設計。要提高未來(lái)汽車(chē)的質(zhì)量，同時(shí)需要卓越的系統級設計和出色的器件級可靠性。怎樣才能做到這一點(diǎn)？首先，必須確定所有系統級問(wèn)題并仔細規劃，因為系統架構問(wèn)題在后來(lái)的設計階段是很難解決的。

　　由于汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò )化程度越來(lái)越高，因此在開(kāi)發(fā)初期就確定系統間傳遞信息的類(lèi)型和系統通信控制方式是至關(guān)重要的。功率、熱量和空間限制也必須在系統級規劃階段解決。盡管單個(gè)子系統在備用狀態(tài)可能只消耗兩三毫瓦功率，但是在未來(lái)的汽車(chē)中，可能有100個(gè)這樣的子系統，這會(huì )迅速耗盡汽車(chē)電池的電量。諸如此類(lèi)的限制因素可能對電源系統類(lèi)型的選擇產(chǎn)生重大影響。而且，正如前面提到的那樣，必須在系統級規劃時(shí)考慮防止子系統間可能產(chǎn)生干擾的措施。

　　經(jīng)過(guò)多年的模擬集成電路開(kāi)發(fā)，凌力爾特公司深知最成功的產(chǎn)品一定是與客戶(hù)緊密合作的產(chǎn)品，我們根據客戶(hù)需求，確定最佳集成電路。我們并不是一上來(lái)就問(wèn)客戶(hù)需要什么類(lèi)型的集成電路或希望實(shí)現什么樣的性能規格，而是問(wèn)：“這個(gè)項目的目標是什么？你們試圖解決什么問(wèn)題？”集成電路設計師與系統設計師的著(zhù)眼點(diǎn)不同，常常提出客戶(hù)并不知道也無(wú)從要求的創(chuàng )新性解決方案。系統設計師與集成電路設計師思路開(kāi)闊地合作，總是會(huì )產(chǎn)生性能最佳、成本最低和最可靠的解決方案。

　　正如前面已經(jīng)提到的那樣，只采用系統級方法明顯是不夠的。器件級可靠性也是至關(guān)重要的。從歷史上看，汽車(chē)設備制造商一直把重點(diǎn)放在單個(gè)器件的質(zhì)量上，以此確保集成電路的質(zhì)量。這個(gè)過(guò)程確實(shí)很重要，但是只有這種過(guò)程還不能確保系統的可靠性。例如，一個(gè)DC/DC控制器集成電路可能出色地通過(guò)了器件級合格性測試，但是如果工作模式?jīng)]有確定好，同時(shí)接通了頂部和底部的柵極驅動(dòng)器，那么即使該集成電路本身不會(huì )有任何問(wèn)題，也可能損壞外部MOSFET。而這類(lèi)問(wèn)題不容易由器件級合格性測試檢測出來(lái)?！　∮捎谄骷壓细裥詼y試檢測不到這類(lèi)問(wèn)題，因此汽車(chē)設備制造商必須非常仔細地選擇集成電路供應商。汽車(chē)制造商應該檢查目標供應商過(guò)往的現場(chǎng)故障率，也應該花力氣了解該供應商的“質(zhì)量文化”。電路設計師、測試工程師和芯片工廠(chǎng)操作員做了哪些工作來(lái)確保其集成電路具有一致的質(zhì)量和可靠性？

　　汽車(chē)制造商要考慮“總體擁有成本”，而不是在滿(mǎn)足最低要求的情況下簡(jiǎn)單地選擇最便宜的集成電路，這一點(diǎn)也很重要。在選擇集成電路廠(chǎng)商時(shí)，不夠充分的應用支持、交貨不夠準時(shí)以及附加的外部器件所帶來(lái)的成本都要予以考慮。最后，只要有可能，就應該選擇專(zhuān)門(mén)為苛刻的汽車(chē)環(huán)境而設計的集成電路。

　　集成電路應該規定工作在寬溫度范圍，就電源管理集成電路而言，在有些情況下，要能夠承受高達150℃的結溫。對于電源器件來(lái)說(shuō)，僅規定器件的額定工作溫度為125℃還不夠，因為結溫會(huì )高于環(huán)境溫度。始終保持接通的子系統應該采用具有非常低的備用模式電流的集成電路，以最大限度地減少電池泄漏。能夠承受冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況也是至關(guān)重要的。

　　要提高可靠性，汽車(chē)系統設計師與集成電路設計師的互動(dòng)必不可少。系統架構合理、仔細選擇集成電路供應商以及專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應用而設計的集成電路是未來(lái)保證汽車(chē)可靠性的關(guān)鍵因素。器件級可靠性仍然是不可或缺的，但是只有器件級可靠性是不夠的。

　　汽車(chē)環(huán)境對任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都是非常嚴酷的。寬工作電壓要求加上高瞬態(tài)電壓和寬溫度偏移，使電子系統工作異常艱難。同時(shí)，隨著(zhù)器件數量增加，可用空間越來(lái)越小。因此由于空間限制和溫度要求，效率變得更加關(guān)鍵了。在低輸出電壓和甚至中等電流水平以及功率高于幾百毫瓦時(shí)，簡(jiǎn)單使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)產(chǎn)生這些系統電壓都不再實(shí)際了。因此，在過(guò)去幾年中，主要因為熱限制的原因，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器效率的提高和占板面積的減小的好處超過(guò)了附帶產(chǎn)生的復雜性和EMI問(wèn)題。

　　考慮到這些限制因素，開(kāi)關(guān)穩壓器需要具有以下特點(diǎn)和特性：寬輸入電壓工作范圍；在寬負載范圍內具有高效率；在正常工作、備用和停機模式時(shí)具有低靜態(tài)電流；低熱阻；最低的噪聲和EMI輻射。

　　因此，一個(gè)好的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩壓器需要規定在3V至60V的寬輸入電壓范圍內工作。60V額定值為14V系統提供了良好的裕度，14V系統通常箝位在36V至40V范圍內。另外，寬負載范圍的高效率電源轉換在大