為嚴酷的汽車(chē)環(huán)境而設計

摘要：從環(huán)境溫度和工作電壓的角度來(lái)看，汽車(chē)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境非常嚴酷，不僅如此，汽車(chē)環(huán)境在其它一些方面也呈現出同樣的挑戰性。

關(guān)鍵詞：負載突降；LED；組件可靠性

背景

　　在美國，用戶(hù)已購買(mǎi)的汽車(chē)已經(jīng)超過(guò) 2.44 億輛（截至 2006 年 6 月），同時(shí)每年大約再售出 1800 萬(wàn)輛（這個(gè)數字中包括輕型卡車(chē)）。即使把歇業(yè)率考慮在內，這也意味著(zhù)每年的凈增車(chē)輛達 800 萬(wàn)部之多！美國公眾通常將其座駕視為其特有個(gè)性的延伸。因此，他們要保留并使用自己的汽車(chē)，而不是使用公共交通工具。由于這個(gè)原因，美國對汽車(chē)的需求不會(huì )下降，而是會(huì )持續增長(cháng)，因為隨著(zhù)年輕的消費者達到法定年齡，他們也將購買(mǎi)自己的汽車(chē)。

　　另外，隨著(zhù)世界各地實(shí)施了多種新的尾氣排放標準，一種稱(chēng)為“Hybrid（混合動(dòng)力）”的新型汽車(chē)日益受到歡迎。這種新趨勢的勢頭只會(huì )增強，并給汽車(chē)領(lǐng)域注入新的活力。結果，預計到 2015 年，全球汽車(chē)銷(xiāo)售量將達到 8200 萬(wàn)輛，而 2007 年為 6600 萬(wàn)輛。令人關(guān)注的是，增長(cháng)最快的將是中國市場(chǎng)，中國汽車(chē)銷(xiāo)量預計將從 2007 年的 700 萬(wàn)輛激增到 2015 年的 1400 萬(wàn)輛，年復合增長(cháng)率約為 9%.顯然，這表明汽車(chē)電子產(chǎn)品有極大的增長(cháng)潛力。

這對汽車(chē)電子產(chǎn)品的增長(cháng)意味著(zhù)什么？

　　首先，汽車(chē)電子產(chǎn)品必須能夠承受極寬的極限溫度范圍。在北方，溫度可能下降至 -40℃，而在引擎倉內，溫度可能升高到 +125℃。這與對軍用級組件的期望一樣高，但卻是在一個(gè)對成本非常敏感的市場(chǎng)。

　　汽車(chē)中的 12V 電池電源被稱(chēng)為“煉獄中的電源”，這種叫法有充分的理由。在非常冷的天氣中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，常常被稱(chēng)作“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”，這種情況可能導致電池電壓下降至 4V.而在有些汽車(chē)公司，這一電壓要求甚至降得更低。電池連接不牢固或重負載斷開(kāi)常常導致出現“負載突降”情況。在這種情況下，12V 電池電壓也許瞬間超過(guò) 100V，就一個(gè)所謂的 12V 系統而言，這也許不是人們期望出現的情況。讓事情更加棘手的是，即使電池裝反了，也不允許電子產(chǎn)品有任何損壞。

　　顯然，從環(huán)境溫度和工作電壓的角度來(lái)看，汽車(chē)電子產(chǎn)品所處的環(huán)境非常嚴酷，不僅如此，汽車(chē)環(huán)境在其它一些方面也呈現出同樣的挑戰性。由于汽車(chē)中的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，因此容納這些系統的空間越來(lái)越小了。復雜的電子系統現在必須塞進(jìn)引擎倉、儀表板、頭墊等狹小空間中。

LED 正在取代白熾燈

　　豪華汽車(chē)制造商正在越來(lái)越多地利用最新的固態(tài) LED 照明技術(shù)增強其汽車(chē)的美感，將這些更輕、更小和更可靠的產(chǎn)品用于內部和外部照明。例子之一是奧迪 （Audi） 新的A8豪華跑車(chē)，通過(guò)這款車(chē)，奧迪第一次提供完整的 LED 前燈組裝作為選項。LED 還有望降低成本并延長(cháng)壽命，這與白熾燈用于內部照明相比是明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如，高強度放電（HID）和鹵素燈用于前燈。

圖 1  LED 在標準型汽車(chē)中的使用

　　不過(guò)，用汽車(chē)電池驅動(dòng) LED 需要一個(gè) DC/DC 轉換器，以準確調節 LED 電流，確保一致的光強和顏色一致性并保護 LED.另外，依照 LED 打算用作前燈、尾燈、信號指示燈、內部氣氛燈或閱讀燈而定，DC/DC 穩壓器還應該為具體的電源需求而優(yōu)化。圖 1 顯示了 LED 在汽車(chē)中各個(gè)部位用來(lái)照明的例子。

　　另外，一個(gè)巨大的挑戰是，用可能低于、等于或高于負載電壓的電池電壓為一個(gè)或幾個(gè) LED 串供電。另一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題是，以大調光比和高效率為 LED 調光，同時(shí)在低亮度端和高亮度端保持顏色特性不變。DC/DC 驅動(dòng)器高效率工作是一個(gè)關(guān)鍵要求，尤其在驅動(dòng)高亮度（HB）LED 時(shí)更是這樣，因為未轉換成發(fā)射光的功率都通過(guò)發(fā)熱浪費了。

未來(lái)趨勢和可靠性問(wèn)題

　　將來(lái)，汽車(chē)中的電子產(chǎn)品將會(huì )普遍得多，這是事實(shí)。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)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。而且問(wèn)題不僅是客戶(hù)滿(mǎn)意度，它還正在變成對行車(chē)安全的擔憂(yōu)。收音機不能正常工作是一回事，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 )倒退回汽化器和燃點(diǎn)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。在日本名谷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)有可靠的組件，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。系統級和組件級需要齊頭并進(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組件級可靠性。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)可能只消耗兩三毫安，但是在未來(lái)的汽車(chē)中，可能有 100 個(gè)這樣的子系統，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。組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)組件的質(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)了組件級合格性測試，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)題不容易由組件級合格性測試檢測出來(lái)。

　　由于組件級合格性測試檢測不到這類(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)以及附加的外部組件所帶來(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。組件級可靠性仍然是不可或缺的，但是只有組件級可靠性是不夠的。