為嚴酷的汽車環境而設計

摘要：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嚴酷，不僅如此，汽車環境在其它一些方面也呈現出同樣的挑戰性。

關鍵詞：負載突降；LED；組件可靠性

背景

在美國，用戶已購買的汽車已經超過2.44億輛(截至2006年6月)，同時每年大約再售出1800萬輛(這個數字中包括輕型卡車)。即使把歇業率考慮在內，這也意味著每年的凈增車輛達800萬部之多!美國公眾通常將其座駕視為其特有個性延伸。因此，他們要保留并使用自己的汽車，而不是使用公共交通工具。由于這個原因，美國對汽車的需求不會下降，而是會持續增長，因為隨著年輕的消費者達到法定年齡，他們也將購買自己的汽車。

另外，隨著世界各地實施了多種新的尾氣排放標準，一種稱為“Hybrid(混合動力)”的新型汽車日益受到歡迎。這種新趨勢的勢頭只會增強，并給汽車領域注入新的活力。結果，預計到2015年，全球汽車銷售量將達到8200萬輛，而2007年為6600萬輛。令人關注的是，增長最快的將是中國市場，中國汽車銷量預計將從2007年的700萬輛激增到2015年的1400萬輛，年復合增長率約為9％。顯然，這表明汽車電子產品有極大的增長潛力。

這對汽車電子產品的增長意味著什么?

首先，汽車電子產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，但卻是在一個對成本非常敏感的市場。

汽車中的12V電池電源被稱為“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發動機，常常被稱作“冷車發動”，這種情況可能導致電池電壓下降至4V。而在有些汽車公司，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嚴酷，不僅如此，汽車環境在其它一些方面也呈現出同樣的挑戰性。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。

LED 正在取代自熾燈

豪華汽車制造商正在越來越多地利用最新的固態LED照明技術增強其汽車的美感，將這些更輕、更小和更可靠的產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，通過這款車，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壽命，這與白熾燈用于內部照明相比是明顯的優點，例如，高強度放電(HID)和鹵素燈用于前燈。

不過，用汽車電池驅動LED需要一個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化。圖1顯示了LED在汽車中各個部位用來照明的例子。

另外，一個巨大的挑戰是，用可能低于、等于或高于負載電壓的電池電壓為一個或幾個LED串供電。另一個令人擔憂的問題是，以大調光比和高效率為LED調光，同時在低亮度端和高亮度端保持顏色特性不變。DC／DC驅動器高效率工作是一個關鍵要求，尤其在驅動高亮度(HB)LED時更是這樣，因為未轉換成發射光的功率都通過發熱浪費了。未來趨勢和可靠性問題

將來，汽車中的電子產品將會普遍得多，這是事實。如果不采取不同的方法來解決與日益增多的電子產品有關問題，那么今天看到的可靠性問題注定會變得更嚴重。而且問題不僅是客戶滿意度，它還正在變成對行車安全的擔憂。收音機不能正常工作是一回事，但是如果電動轉向系統失靈，汽車需要駛到路邊以重啟系統，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，又不會倒退回汽化器和燃點時代呢?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了一致的高質量標準，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州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關注每一個細節做到這一點的。

客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，也不可能造出可靠的汽車。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安，但是在未來的汽車中，可能有100個這樣的子系統，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。

經過多年的模擬集成電路開發，凌力爾特公司深知，最成功的產品一定是與客戶緊密合作的產品，我們根據客戶需求，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什么樣的性能規格，而是問“這個項目的目標是什么?你們試圖解決什么問題?”集成電路設計師與系統設計師的著眼點不同，常常提出客戶并不知道也無從要求的創新性解決方案。系統設計師與集成電路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。

正如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，以此確保集成電路的質量。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控制器集成電路可能出色地通過了組件級合格性測試，但是如果工作模式沒有確定好，同時接通了頂部和底部的柵極驅動器，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集成電路供應商。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做了哪些工作來確保其集成電路具有一致的質量和可靠性?

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，汽車系統設計師與集成電路設計師的互動必不可少。系統架構合理、仔細選擇集成電路供應商以及專門為汽車應用而設計的集成電路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。