汽車電子產品—危機隱現

在1994至2004這10年間，全球IC(集成電路)業務從570億美元增長到1140億美元，每年平均增長7％。而在這10年中，全球汽車用Ic銷售收入從24億美元增長到74億美元，10年就增長了3倍多，年平均增長率為12％。從這些數字可以明顯看出，與其它類IC相比，汽車用IC銷售收入的增長速度快得多。很清楚，在過去10年，汽車電子產品市場是一個賺錢的好去處，因此越來越多的IC制造商開始密切關注汽車電子產品市場的走向。

展望未來，市場研究公司IC Insights預測，全球汽車用IC銷售收入到2008年將達到116億美元，按照這樣的預測，未來幾年將持續保持過去10年經歷的12％的年增長率。

1997年，歐洲成為全球最大的汽車用IC市場，而且未來的汽車電子產品市場中心仍然是歐洲。2008年，歐洲汽車用IC銷售收入預計將達到43億美元，占全球汽車用IC總銷售收入的37％，這將高于世界上其它任何地區的銷售收入。不過，歐洲在高科技電子系統方面取得領先地位的同時，也出現了一些非常嚴重的問題。

汽車中的電子產品在不斷增多

隨著電子系統不斷取代機械系統，汽車中的電子產品會越來越多，例如引擎和動力傳動控制、電動轉向、電子剎車和LED照明系統。現在用戶買車時更看重的是汽車具有的電子功能，尤其是導航和娛樂系統，汽車行業稱這類系統為信息娛樂系統。

不過，在汽車電子產品領域增長最快的是安全系統。在客戶意識和政府法規的共同推動之下，汽車穩定性系統控制、被動安全系統、防撞系統等諸多相似系統得到了飛速發展。預計到2010年，在一般的汽車生產成本中，電子產品將占到37％，這接近今天的兩倍。

那么這些電子產品在提高現代汽車的可靠性上做出了哪些貢獻呢?回顧下下JD Powers的汽車可靠性排名，就可以看出一些趨勢。JD Powers從買車3年的用戶那里收集數據。1995午時，在排名前10位的公司中有4家日本公司、3家美國公司和3家德國公司。這一年，梅塞德斯·奔馳(Mercedes Benz)位列第四，奧茲莫比爾(Oldsmobile)排名第六。

到10年后的2005年，情況發生了變化。現在排名前10位的公司中有5家日本公司、4家美國公司，德國公司僅剩一家了。這家德國公司是保時捷(Porsche)，它在1995年的時候甚至連前10名都沒進去。

很明顯，在過去10年中，歐洲汽車制造商嚴重失寵了。這大部分是由大家爭先恐后地用最新最炫的電子技術吸引高端用戶造成的。今天的歐產汽年可能含有多達70個微處理器，這極大地提高了出故障的幾率，更不用提這些現代化系統給用戶帶來的困惑了。

由于用戶的反對，現在形勢開始出現改變，很多歐洲汽車制造商實際上正在減少功能，以在質量上下更大的功夫。不過很明顯，汽車電子產品的增長趨勢不會出現逆轉，電子產品將繼續取代更多的機械系統。

苛刻的汽車環境

除非采取不同的理念和方式，否則過去10年出現的質量問題會繼續惡化。山現今天這種可靠性問題的部分原因是，現代汽車非常復雜。除掉復雜性，還有另一個原因，即汽車是我們所知道的最為苛刻的環境之一。

汽車中的12V電池電源一直被稱作“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引擎，通常稱作“冷車發動”，可能導致電池電壓降至4V。有些汽車公司要求的冷車發動電壓甚至更低。電池連接不牢固或重負載斷開常常導致“負載突降”。在這種情況下，12V電池上的電壓瞬間可能超過100V，就一個所謂的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，也不允許電子產品有任何損壞。

顯然，從環境溫度和工作電壓的角度來看，汽車電子產品所處的環境非常苛刻。不僅如此，汽車環境對其它一些方面也呈現出同樣的挑戰。由于汽車中的電子產品越來越多，因此容納這些系統的空間越來越小了。復雜的電子系統現在必須塞進引擎倉、儀表板、頭墊等狹小空間中。

由于空間受限，因此熱量管理又成了嚴重問題。汽車不僅要能在拉斯維加斯炎熱的陽光下正常工作，還要能在一個受限的空間中承受自身產生的熱量。高效率但復雜的開關穩壓器現在正在取代簡單的線性穩壓器，以減輕熱量問題。

在較老的汽車中，鑰匙在關位時，整個電氣系統都不加電。與此不同，現代汽車使用網絡系統，鑰匙在關位時，網絡系統仍然加電，只是進入了備用狀態。不幸的是，在備用狀態，大多數電子子系統仍然從電池吸取相當大的電流。有些高檔歐產汽車有很多需要進入備用狀態的系統，它們消耗了大量電池電流，以至于引擎必須每隔兩天就運行至少30分鐘。換句話說，一輛車在車庫中停上一個周末，周一早上就可能啟動不了!。如果這種趨勢持續下去，那么要不了多久，汽車就要在車庫中空轉一整夜了，因為這樣第二天才能啟動。

另外，現在汽車中有太多的噪聲源(例如：微處理器、開關電源等等)，因此電氣干擾正在成為一大問題。這種干擾會導致收音機和電視機接收質量差，在極端情況下，甚至會讓系統失靈。減輕這個問題的辦法之一是微處理器和電源采用擴頻時鐘，以降低特定頻率上的峰值噪聲幅度。

將來，汽車中的電子產品會多得多，這是事實。如果不采取相應的方法解決電子產品增多帶來的問題，那么今天遇到的可靠性問題還會變得更嚴重。而且這不僅是客戶滿意度問題，它正在變成一種對安全的憂慮。

未來趨勢與新的設計方式

那么我們能夠做些什么來解決這些問題，而不必來個180°大轉彎，回到化油器和燃點時代呢?也許可以向日本人學習。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。日本人也成功實現了一致的高質量，不管他們的車是在哪里生產的，在日本名谷屋或美國俄亥俄生產的汽車質量一樣高。日本人是通過與供應商緊密合作并在設計階段仔細關注每一個細節做到這一點的。

用戶發現的絕大多數問題都源自設計階段而不是生產階段。缺點一旦設計進去了，任何工人都不可能在生產中將其剔除出去。另外，沒有可靠的組件，也不可能生產出可靠的汽車。很明顯，只采用系統級的方法不能解決所有問題。系統級和組件級需要齊頭并進。

因此我們需要用兩步走的方式完成汽車電子產品設計。要提高未來汽車的質量，同時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?首先，必須確定所有系統級問題并仔細規劃，因為系統架構問題在后來的設計階段是很難解決的。

由于汽車的網絡化程度越來越高，因此在開發初期就確定系統間傳遞信息的類型和系統通信控制方式是至關重要的。功率、熱量和空間限制也必須在系統級規劃階段解決。盡管單個子系統在備用狀態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，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類型的選擇產生重大影響。而且，正如前面提到的那樣，必須在系統級規劃時考慮防止子系統間可能產生干擾的措施。

IC設計師與系統設計師的著眼點不同，而且常常提出客戶并不知道也無從要求的創新性解決方案。系統設計師與IC設計師思路開闊地合作，總是會產生性能最佳、成本最低和最可靠的解決方案。

像前面已經提到的那樣，只采用系統級方法明顯是不夠的。組件級可靠性也是至關重要的。從歷史上來看，汽車設備制造商一直把重點放在單個組件的質量上，以此確保IC的質量。這個過程確實很重要，但是只有這種過程還不能確保系統的可靠性。例如，一個DC/DC控制器IC有出色的性能并很好地通過了組件級合格性測試，但是，如果工作模式確定得不好，例如同時接通頂部和底部的柵極驅動器，那么即使該IC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組件級合格性測試檢測出來。

由于組件級合格性測試檢測不到這類問題，因此汽車設備制造商必須非常仔細地選擇IC供應商。汽車制造商應該檢查目標供應商過往的現場故障率，也應該花力氣了解該供應商的“質量文化”。電路設計師、測試工程師和芯片工廠操作員都做了哪些工作來確保其IC具有一致的質量和可靠性?

其次，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IC，這一點電很重要。在選擇IC廠商時，不夠充分的應用支持、交貨不夠準時以及附加的外部組件所帶來的成本都要予以考慮。最后，只要有可能，就應該選擇專門為苛刻的汽車環境設計的IC。

IC應該規定工作在寬溫度范圍，就電源管理IC而言，在有些情況下，要能夠承受高達150℃的結溫。對于電源器件來說，僅規定器件的額定工作溫度為125℃還不夠，因為結溫會高于環境溫度。始終保持接通的子系統應該采用具有非常低的待機模式電流的IC，以最大限度地減少電池泄漏。能夠承受冷車發動和負載突降情況也是至關重要的。

要提高可靠性，汽車系統設計師與IC設計師的互動必不可少。系統架構合理、仔細選擇IC供應商以及專門為汽車應用設計的IC是未來保證汽車可靠性的關鍵因素。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。

結語

到了該采用新的設計方式的時候了。

電子產品在汽車中會得到越來越多的應用，這種趨勢是不可阻擋的。但是如果按照現在這樣的趨勢發展下去，那么我們在過去幾年中遭遇的可靠性問題將導致真正的危機。毫無疑問，必須改變汽車電子產品的設計方式。

汽車設備設計師在開發初期必須在系統設計上投注更多的精力，日本汽車制造商已經清楚地證明了這么做的好處。另外，與IC供應商協作，思路開闊地討論目標與問題會使IC更有針對性地滿足汽車應用需求。

最后，很重要的是，不僅要依靠組件級合格性測試，還要評估IC供應商的文化和以前在可靠性方面的表現，以此判定廠商的合格性。這不僅是一個廠商選擇問題，因為汽車制造商還需要與IC供應商開展合作。