提高汽車電子產(chǎn)品可靠性的電源電路設(shè)計考慮

　　將來在汽車中，電子產(chǎn)品的應(yīng)用將變得普遍得多。不過，如果不采取不同的方法來解決與日益增多的電子產(chǎn)品有關(guān)的問題，那么今天看到的可靠性問題注定會變得更嚴重。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)量問題，他們不得不注銷6億美元收益。而且問題不僅關(guān)系到客戶滿意度，它也正在變成對行車安全的擔憂。收音機不能正常工作不是什么大事，但是如果電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈，汽車需要駛到路邊以重啟系統(tǒng)，那問題就大得多了！

　　那么可以做些什么來解決這些令人擔憂的問題，又不會倒退回化油器時代呢？也許可以從日本廠商那里得到啟示。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。日本人也成功地實現(xiàn)了一致的高質(zhì)量標準，不管他們的車是在哪里生產(chǎn)的。在日本名古屋或美國俄亥俄州生產(chǎn)的汽車質(zhì)量一樣高。日本人是通過與供應(yīng)商緊密合作并在設(shè)計階段關(guān)注每一個細節(jié)做到這一點的。

　　客戶發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)問題都源自設(shè)計階段而不是生產(chǎn)階段。缺點一旦設(shè)計進去了，任何工人都不可能在生產(chǎn)中將其剔除出去。另外，沒有可靠的器件，也不可能造出可靠的汽車。很明顯，只采用系統(tǒng)級的方法不能解決所有問題，系統(tǒng)級和器件級需要齊頭并進。

　　因此我們需要用兩步走的方式完成汽車電子產(chǎn)品設(shè)計。要提高未來汽車的質(zhì)量，同時需要卓越的系統(tǒng)級設(shè)計和出色的器件級可靠性。怎樣才能做到這一點？首先，必須確定所有系統(tǒng)級問題并仔細規(guī)劃，因為系統(tǒng)架構(gòu)問題在后來的設(shè)計階段是很難解決的。

　　由于汽車的網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，因此在開發(fā)初期就確定系統(tǒng)間傳遞信息的類型和系統(tǒng)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(tǒng)級規(guī)劃階段解決。盡管單個子系統(tǒng)在備用狀態(tài)可能只消耗兩三毫瓦功率，但是在未來的汽車中，可能有100個這樣的子系統(tǒng)，這會迅速耗盡汽車電池的電量。諸如此類的限制因素可能對電源系統(tǒng)類型的選擇產(chǎn)生重大影響。而且，正如前面提到的那樣，必須在系統(tǒng)級規(guī)劃時考慮防止子系統(tǒng)間可能產(chǎn)生干擾的措施。

　　經(jīng)過多年的模擬集成電路開發(fā)，凌力爾特公司深知最成功的產(chǎn)品一定是與客戶緊密合作的產(chǎn)品，我們根據(jù)客戶需求，確定最佳集成電路。我們并不是一上來就問客戶需要什么類型的集成電路或希望實現(xiàn)什么樣的性能規(guī)格，而是問：“這個項目的目標是什么？你們試圖解決什么問題？”集成電路設(shè)計師與系統(tǒng)設(shè)計師的著眼點不同，常常提出客戶并不知道也無從要求的創(chuàng)新性解決方案。系統(tǒng)設(shè)計師與集成電路設(shè)計師思路開闊地合作，總是會產(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(tǒng)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，汽車設(shè)備制造商一直把重點放在單個器件的質(zhì)量上，以此確保集成電路的質(zhì)量。這個過程確實很重要，但是只有這種過程還不能確保系統(tǒng)的可靠性。例如，一個DC/DC控制器集成電路可能出色地通過了器件級合格性測試，但是如果工作模式?jīng)]有確定好，同時接通了頂部和底部的柵極驅(qū)動器，那么即使該集成電路本身不會有任何問題，也可能損壞外部MOSFET。而這類問題不容易由器件級合格性測試檢測出來。　　由于器件級合格性測試檢測不到這類問題，因此汽車設(shè)備制造商必須非常仔細地選擇集成電路供應(yīng)商。汽車制造商應(yīng)該檢查目標供應(yīng)商過往的現(xiàn)場故障率，也應(yīng)該花力氣了解該供應(yīng)商的“質(zhì)量文化”。電路設(shè)計師、測試工程師和芯片工廠操作員做了哪些工作來確保其集成電路具有一致的質(zhì)量和可靠性？

　　汽車制造商要考慮“總體擁有成本”，而不是在滿足最低要求的情況下簡單地選擇最便宜的集成電路，這一點也很重要。在選擇集成電路廠商時，不夠充分的應(yīng)用支持、交貨不夠準時以及附加的外部器件所帶來的成本都要予以考慮。最后，只要有可能，就應(yīng)該選擇專門為苛刻的汽車環(huán)境而設(shè)計的集成電路。

　　集成電路應(yīng)該規(guī)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(jié)溫。對于電源器件來說，僅規(guī)定器件的額定工作溫度為125℃還不夠，因為結(jié)溫會高于環(huán)境溫度。始終保持接通的子系統(tǒng)應(yīng)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。能夠承受冷車發(fā)動和負載突降情況也是至關(guān)重要的。

　　要提高可靠性，汽車系統(tǒng)設(shè)計師與集成電路設(shè)計師的互動必不可少。系統(tǒng)架構(gòu)合理、仔細選擇集成電路供應(yīng)商以及專門為汽車應(yīng)用而設(shè)計的集成電路是未來保證汽車可靠性的關(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。

　　汽車環(huán)境對任何類型的電子產(chǎn)品來說都是非常嚴酷的。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(tǒng)工作異常艱難。同時，隨著器件數(shù)量增加，可用空間越來越小。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，簡單使用線性穩(wěn)壓器來產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓都不再實際了。因此，在過去幾年中，主要因為熱限制的原因，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器效率的提高和占板面積的減小的好處超過了附帶產(chǎn)生的復雜性和EMI問題。

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

　　因此，一個好的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器需要規(guī)定在3V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。60V額定值為14V系統(tǒng)提供了良好的裕度，14V系統(tǒng)通常箝位在36V至40V范圍內(nèi)。另外，寬負載范圍的高效率電源轉(zhuǎn)換在大