汽車(chē)電子設計中的Worst Case理論計算及應用實(shí)例

　　1 什么是Worst Case

　　在汽車(chē)電子的應用中，為了保證我們的設計能滿(mǎn)足汽車(chē)的環(huán)境要求和可靠性要求，需要在設計階段充分考慮實(shí)際應用中的極端情況，即電路模型的Worst Case。從PCB外部來(lái)講，主要考慮環(huán)境影響及信號的動(dòng)態(tài)輸入，一般涉及以下因素：

　　• 環(huán)境溫度的高低極值;
　　• 輸入信號的電平范圍;
　　• 電源的極端情況等。

　　從PCB內部來(lái)講，主要考慮元器件的誤差、壽命以及安全工作范圍等，一般涉及以下因素：

　　• 電源模塊(LDO或DCDC)的誤差;
　　• 各元器件(如電阻/電容)個(gè)體特性對標稱(chēng)值的偏差;
　　• 各元器件安全工作時(shí)能承受的最大電壓/電流，等等。

　　從單片機的角度，主要考慮內部電路的誤差及安全工作條件等，一般涉及以下因素：

　　• 單片機安全工作時(shí)管腳能承受的最大電壓/電流等;
　　• 模數轉換(ADC)的誤差;
　　• 時(shí)鐘基準的偏差，等等。

　　由于電路設計及單片機的多樣性，極端情況及相應的計算也會(huì )有所不同。下面我們將以幾顆飛思卡爾單片機為例，介紹和單片機密切相關(guān)的幾項Worst Case計算。

　　2 S12ZVM的特性及主要應用

　　S12ZVM是最新的16位單片機，基于S12Z內核，片內集成了線(xiàn)性電壓調節器、總線(xiàn)收發(fā)器以及三相電機的預驅動(dòng)電路，可以直接驅動(dòng)外部MOS陣列。S12ZVM用于汽車(chē)12V系統的各種BLDC控制模塊，如水泵、油泵等，可以有效地節省PCB面積，并幫助用戶(hù)降低成本。

　　3 對蓄電池電壓的采樣

　　很多車(chē)載設備需要對蓄電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，有些整車(chē)廠(chǎng)商要求在全溫度范圍(-40～+125℃)內誤差控制在5%以?xún)取?/p>

　　3.1 基于傳統單片機的蓄電池電壓采樣精度分析

　　圖1描述了基于傳統單片機的控制器結構，圖中LDO為12V-5V的線(xiàn)性電源，MCU為不集成線(xiàn)性電源的單片機(如S12G)，蓄電池電壓為12V。為了對蓄電池電壓作采樣，通常的辦法是用分壓電阻R1和R2，使得R2的壓降在MCU可采樣的范圍(如0～5V)內。此時(shí)MCU的電源VDD和ADC的參考電壓均來(lái)自L(fǎng)DO的輸出。

　　該采樣電路的誤差來(lái)自三個(gè)方面，分別是分壓網(wǎng)絡(luò )誤差(來(lái)自R1和R2)、ADC參考電壓誤差(來(lái)自L(fǎng)DO)、以及ADC的量化誤差(來(lái)自ADC模塊本身)。這里ADC模塊的誤差一般為+/-3 counts(以10位ADC分辨率，LQFP48封裝為例，詳見(jiàn)S12G數據手冊)，這里可以忽略不計。假定我們選擇在全溫度范圍內精度1%的電阻和精度2%的LDO，則分壓電路誤差為1% + 1% = 2%，總誤差為2% + 2% = 4%，滿(mǎn)足5%的要求。

　　3.2 基于S12ZVM電源電壓采樣精度分析

　　圖2描述了基于S12ZVM的控制器結構，蓄電池電壓為12V，S12ZVM內部集成了MCU以及12V-5V的LDO。為了對蓄電池電壓作采樣，S12ZVM內部集成了分壓網(wǎng)絡(luò )(等效為R1和R2)。此時(shí)MCU的電源VDDX和ADC的參考電壓均來(lái)自?xún)炔縇DO的輸出。

　　與圖1類(lèi)似，該采樣電路的總誤差為分壓網(wǎng)絡(luò )誤差(來(lái)自R1和R2)、ADC參考電壓誤差(來(lái)自L(fǎng)DO)、以及ADC的量化誤差(來(lái)自ADC模塊本身)。這里ADC的誤差為+/-3 counts(10位ADC分辨率)，可以忽略不計;