為嚴(yán)酷的汽車(chē)環(huán)境而設(shè)計(jì)

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(yán)酷，不僅如此，汽車(chē)環(huán)境在其它一些方面也呈現(xiàn)出同樣的挑戰(zhàn)性。

關(guān)鍵詞：負(fù)載突降；LED；組件可靠性

背景

　　在美國(guó)，用戶(hù)已購(gòu)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(shù)字中包括輕型卡車(chē)）。即使把歇業(yè)率考慮在內(nèi)，這也意味著每年的凈增車(chē)輛達(dá) 800 萬(wàn)部之多！美國(guó)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(guó)對(duì)汽車(chē)的需求不會(huì)下降，而是會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)殡S著年輕的消費(fèi)者達(dá)到法定年齡，他們也將購(gòu)買(mǎi)自己的汽車(chē)。

　　另外，隨著世界各地實(shí)施了多種新的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，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(shì)的勢(shì)頭只會(huì)增強(qiáng)，并給汽車(chē)領(lǐng)域注入新的活力。結(jié)果，預(yù)計(jì)到 2015 年，全球汽車(chē)銷(xiāo)售量將達(dá)到 8200 萬(wàn)輛，而 2007 年為 6600 萬(wàn)輛。令人關(guān)注的是，增長(zhǎng)最快的將是中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量預(yù)計(jì)將從 2007 年的 700 萬(wàn)輛激增到 2015 年的 1400 萬(wàn)輛，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為 9%.顯然，這表明汽車(chē)電子產(chǎn)品有極大的增長(zhǎng)潛力。

這對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)意味著什么？

　　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?zhèn)}內(nèi)，溫度可能升高到 +125℃。這與對(duì)軍用級(jí)組件的期望一樣高，但卻是在一個(gè)對(duì)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(jī)，常常被稱(chēng)作“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”，這種情況可能導(dǎo)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(fù)載斷開(kāi)常常導(dǎo)致出現(xiàn)“負(fù)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(tǒng)而言，這也許不是人們期望出現(xiàn)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(yán)酷，不僅如此，汽車(chē)環(huán)境在其它一些方面也呈現(xiàn)出同樣的挑戰(zhàn)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(tǒng)的空間越來(lái)越小了。復(fù)雜的電子系統(tǒng)現(xiàn)在必須塞進(jìn)引擎?zhèn)}、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(qiáng)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(nèi)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(xiàng)。LED 還有望降低成本并延長(zhǎng)壽命，這與白熾燈用于內(nèi)部照明相比是明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如，高強(qiáng)度放電（HID）和鹵素?zé)粲糜谇盁簟?/p>

圖 1  LED 在標(biāo)準(zhǔn)型汽車(chē)中的使用

　　不過(guò)，用汽車(chē)電池驅(qū)動(dòng) LED 需要一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié) LED 電流，確保一致的光強(qiáng)和顏色一致性并保護(hù) LED.另外，依照 LED 打算用作前燈、尾燈、信號(hào)指示燈、內(nèi)部氣氛燈或閱讀燈而定，DC/DC 穩(wěn)壓器還應(yīng)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(zhàn)是，用可能低于、等于或高于負(fù)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(dān)憂(yōu)的問(wèn)題是，以大調(diào)光比和高效率為 LED 調(diào)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(qū)動(dòng)器高效率工作是一個(gè)關(guān)鍵要求，尤其在驅(qū)動(dòng)高亮度（HB）LED 時(shí)更是這樣，因?yàn)槲崔D(zhuǎn)換成發(fā)射光的功率都通過(guò)發(fā)熱浪費(fèi)了。

未來(lái)趨勢(shì)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(yán)重。而且問(wèn)題不僅是客戶(hù)滿(mǎn)意度，它還正在變成對(duì)行車(chē)安全的擔(dān)憂(yōu)。收音機(jī)不能正常工作是一回事，但是如果電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈，汽車(chē)需要駛到路邊以重啟系統(tǒng)，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(dān)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(xiàn)了一致的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不管他們的車(chē)是在哪里生產(chǎn)的。在日本名谷屋或美國(guó)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(yīng)商緊密合作并在設(shè)計(jì)階段關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)做到這一點(diǎn)的。

　　客戶(hù)發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)問(wèn)題都源自設(shè)計(jì)階段而不是生產(chǎn)階段。缺點(diǎn)一旦設(shè)計(jì)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(tǒng)級(jí)的方法不能解決所有問(wèn)題。系統(tǒng)級(jí)和組件級(jí)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(shè)計(jì)。要提高未來(lái)汽車(chē)的質(zhì)量，同時(shí)需要卓越的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和出色的組件級(jí)可靠性。怎樣才能做到這一點(diǎn)？ 首先，必須確定所有系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題并仔細(xì)規(guī)劃，因?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)問(wèn)題在后來(lái)的設(shè)計(jì)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(tǒng)間傳遞信息的類(lèi)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(jí)規(guī)劃階段解決。盡管單個(gè)子系統(tǒng)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(tǒng)，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(duì)電源系統(tǒng)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(tǒng)級(jí)規(guī)劃時(shí)考慮防止子系統(tǒng)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(jù)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(xiàn)什么樣的性能規(guī)格，而是問(wèn)“這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是什么？你們?cè)噲D解決什么問(wèn)題？”集成電路設(shè)計(jì)師與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的著眼點(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(tǒng)設(shè)計(jì)師與集成電路設(shè)計(jì)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(tǒng)級(jí)方法明顯是不夠的。組件級(jí)可靠性也是至關(guān)重要的。從歷史上看，汽車(chē)設(shè)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(tǒng)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(jí)合格性測(cè)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(qū)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(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)出來(lái)。

　　由于組件級(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)不到這類(lèi)問(wèn)題，因此汽車(chē)設(shè)備制造商必須非常仔細(xì)地選擇集成電路供應(yīng)商。汽車(chē)制造商應(yīng)該檢查目標(biāo)供應(yīng)商過(guò)往的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)師、測(cè)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(yīng)用支持、交貨不夠準(zhǔn)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(yīng)該選擇專(zhuān)門(mén)為苛刻的汽車(chē)環(huán)境而設(shè)計(jì)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(dá)150℃的結(jié)溫。對(duì)于電源器件來(lái)說(shuō)，僅規(guī)定器件的額定工作溫度為125℃還不夠，因?yàn)榻Y(jié)溫會(huì)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(chē)發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況也是至關(guān)重要的。

　　要提高可靠性，汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與集成電路設(shè)計(jì)師的互動(dòng)必不可少。系統(tǒng)架構(gòu)合理、仔細(xì)選擇集成電路供應(yīng)商以及專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jí)可靠性仍然是不可或缺的，但是只有組件級(jí)可靠性是不夠的。