基于六西格瑪設計的PWM 信號控制電路設計應用

費幫國，吳 軍，蔣先慶

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206）

近年來，汽車電子化水平不斷提升，市場對汽車電子產品的需求日益增長。為了盡快搶占市場，全球各大OEM廠商，通過加快汽車智能電子產品的開發進度，縮短開發周期，以期盡快將產品投放市場。而如何在較短的周期內，花費較低的成本，設計出一款客戶滿意的產品，這就需要運用科學的方法進行開發與設計。六西格瑪設計方法，作為一種穩健高效的設計方法，在主流整車廠商與零部件供應商中已獲得了廣泛認可。

1 六西格瑪設計簡介

六西格瑪設計（Design for Six Sigma，簡稱DFSS），重點致力于把關注焦點從設計后期的維護修改轉移到設計前期的主動防御，它是一種工程開發過程，以滿足客戶對于產品品質、性能的期望，同時保證低成本［1］。六西格瑪設計方法分為識別與計劃（Identify）、定義要求（Define）、開發概念（Development）、優化設計（Optimization）、確認和實施（Verify）5個階段，簡稱IDDOV［2］，具體如下。

1）Identify，識別與計劃。識別與計劃階段的目標是為確保任務成功完成而開發計劃。

2）Define，定義要求。定義要求階段的目標是建立一套使客戶滿意的合理的功能指標。其主要過程是通過調研收集客戶呼聲，分析客戶數據，并將客戶呼聲轉化為相關的工程指標。

3）Development，開發。開發階段的目標是建立最好的設計方案，滿足定義要求階段所確定的功能，同時滿足其他業務目標。

4）Optimization，優化設計。優化設計階段的目標是確定設計方案的設計參數，確保在各種操作條件下有一致的性能。

5）Verify，確認和實施。確認和實施的目的是確認項目是否達到預期目標。

2 基于六西格瑪設計的PWM信號控制電路設計實例

PTC（Positive Temperature coefficient），即正溫度系數電阻，用于車輛空調系統的輔助加熱。對于傳統的燃油車，其空調的熱源來自于發動機的冷卻水。但是，對于冬天嚴寒地區，僅依賴汽車發動機的冷卻水，是無法滿足客戶對于空調系統舒適性要求的，特別是發動機排量較小的車輛。因此，需要PTC作為空調熱量不足的補充，以提升客戶的舒適性。另外，在PTC模塊的控制方式上，采用的是具有很強抗噪性的PWM信號控制，這提升了功能安全的可靠性。下面以自動空調控制器的PWM信號控制電路設計為例，來說明六西格瑪設計在電子硬件設計中的應用。

2.1 識別機會（Identify）

識別機會階段，需要識別產品或者開發過程存在的問題，并提出新的設計需求。在自動空調系統開發過程中，整車空調系統性能試驗認證團隊發現，在環境溫度-10℃情況下，車輛發動機冷卻水提供給空調系統的熱量，不足以支持空調的加熱性能，無法滿足客戶的舒適性要求，存在的抱怨有以下3點：①剛上車時，車內空調制熱不夠快；②發動機運行一段時間后，車內空調不夠暖；③車輛運行一段時間后，車內空調忽冷忽暖，自動調節舒適性差。

為避免上述抱怨發生，滿足空調加熱性能的認證要求，經產品開發團隊PDT研究決定：基于當前發動機冷卻水溫/水量的實際情況，增加PTC模塊；同時，為使PTC模塊能夠自動穩定地工作，自動空調控制器需新增PTC控制信號電路。控制系統框圖如圖1所示。

圖1 PTC功能控制原理

2.2 定義要求（Define）

定義要求階段，需要建立一套使客戶滿意的合理的功能指標。為滿足客戶（PTC開發團隊）對PTC模塊自動穩定工作的接口定義要求，將其需求分解成相應的可實現的工程需求規范。同時，將需求分解成工程開發指標，具體參數見表1。

表1 用戶類型及對應要求

如何滿足表1中的需求規范，確保“自動空調控制器的PWM驅動信號控制PTC擋位準確，頻率穩定可靠”，通過對工程指標逐一分析得出，對于PWM控制信號的頻率，是由控制器的主MCU提供，存在變差的可能性較小。而對于PWM控制信號的占空比精度、最大低電壓幅值兩個工程指標，對PTC擋位準確控制存在較大影響，設計時需要重點關注。

1）PWM控制信號低電平電壓幅值要求

圖2 PTC模塊接口電路

圖2為PTC模塊接口電路，為了讓三極管Q3的基極與射極間至少有1V的電壓差（考慮到三極管的導通電壓會受溫度影響，通常為0.7V 即可），即Ube≥1V，確保三極管Q3處于導通工作狀態。因此，自動空調控制器輸出的PWM控制信號的低電平的電壓幅值U ≤［VDD-Ube-UR18］=［VDDUbe-Ube×（R18/R89）］=5-1-1×（1.1/1）≌3V，即自動空調控制器輸出的PWM控制信號的低電平的電壓幅值U≤3V。

2）PWM控制信號占空比精度要求

如表2所示，基于PTC控制模塊各擋位的占空比定義，特別是3擋情況下，由于占空比最大值為95%，可得占空比精度要小于（0.98-0.95）/0.98×100%=3%，否則會出現跳擋至PTC OFF，導致PTC不工作問題發生。因此將PWM控制信號占空比精度要求設定為<3%。

表2 PWM占空比與擋位對應關系

2.3 開發（Development）

2.3.1 PWM信號控制電路方案

開發階段，產品開發團隊針對PTC控制信號電路的設計，分別提出了集成式電路、分立式電路1、分立式電路2，共3種方案，具體可參見圖3、圖4、圖5。

圖4 分立式PWM信號控制電路1

圖5 分立式PWM信號控制電路2

圖3集成式PWM信號控制原理圖，通過自動空調控制器MCU輸出PWM信號，控制低邊集成電路芯片TLE7233G處理后，輸出PTC PWM控制信號，從而自動控制PTC工作擋位。同時，也可通過TLE7233G的SPI通信，對功能輸出端口進行診斷檢測（開路、短路）。

圖4分立式PWM信號控制電路1，通過自動空調控制器MCU輸出PWM信號，控制三極管的開啟與關閉以及控制PTC工作擋位，通過捕獲PTC端口PWM波狀態，來實現端口診斷檢測（開路、短路）。

圖5分立式PWM信號控制電路2，是通過自動空調控制器MCU輸出的PWM信號，來控制三極管的開啟與關閉以及PTC工作擋位，通過采集PTC端口電壓值來實現端口診斷檢測（開路、短路）。

2.3.2 PWM信號控制電路方案選擇

開發階段，運用Pugh概念分析法進行概念選擇。分別對集成式PWM信號控制電路（簡稱A）、分立式PWM信號控制電路1（簡稱B）、分立式PWM信號控制電路2（簡稱C），分別從電路簡易程度、成本、開發周期、控制性能、元件利用效率、風險、電路占PCB空間7個維度，進行了2輪平衡比較，如圖6所示。其中“+”表示性能較優，記為5分，“-”代表性能指標較差，記為1分，“S”與對性能指標相當，記為3分。通過Pugh對已有的概念方案進行選擇，綜合考慮產品的功能、成本和制造等因素。

圖6 PUGH矩陣分析

電路簡易程度方面，A、B、C都較簡單；成本方面，A涉及到單獨的集成電路芯片TLE7233G，成本較高，B、C成本相對低廉；開發周期方面，A、B、C都相差無幾；控制性能方面，A的PWM控制性能最優，而B需要通過優化輸出電容與電阻值，提升PWM輸出性能，否則可能受地漂影響后性能略差；元件利用效率方面，A涉及到單獨的集成電路芯片TLE7233G有4路PWM控制輸入端，而本項目應用到的低邊PWM信號控制路數只有2路，元件利用效率低；開發風險方面，C的軟件診斷邏輯較為復雜，容易引入新的問題，并且難以優化解決，風險較高；電路占PCB空間方面，B、C都較大，A占用PCB空間較小。

綜上可得，A由于成本太高，可考慮直接排除。而B從成本、PCB空間、軟件的復雜程度上優于C。因此，產品開發團隊最終選擇最佳方案為B，即分立式方案1。

2.4 優化設計（Optimization）

針對已選擇的分立式PWM信號控制電路1，可滿足初始設定的目標，即低電平電壓幅值約等于3，占空比精度約等于3%。但此電路未充分考慮噪音干擾方面的影響，在有地漂的干擾下，PWM信號輸出的可靠性與穩定性有所下降，存在無法滿足工程目標的風險。為確保信號可靠穩定輸出，經過產品開發團隊評估，可選擇端口ESD電容、限流電阻作為控制因子，對PWM信號輸出電路進行進一步優化。其中，優化端口ESD電容，可提升實際占空比精度；優化端口限流電阻，可降低PWM信號低電平幅值，具體見表3。

表3 工程指標優化

如圖7所示，空調輔助加熱控制系統參數中，端口ESD電容、端口限流電阻作為控制因子，地漂為噪音因子，響應為PWM控制信號輸出，空調出風口溫度自動調節。

將端口電容C2、端口電阻R7設定為控制因子，如圖8所示。控制因子和水平設定為3個，參見表4；對于噪音因子地漂，選取經驗最大值，設定為1.2V。

圖7 控制系統參數圖

控制因子組合選擇：選取控制因子組合C2=10nF，R7=68Ω，對地漂移電壓U地=1.2V，計算PWM信號的最大低電平電壓值為ULmax=1.74V<2V，占空比精度為0.08%<2%，C2容值上限值計算得C2≤37nF，也就是說C2的電容取值不能超過37nF，否則就會使得占空比精度超過2%。由此可得其它控制因子組合，無法滿足要求。

綜合以上可得，AB Level1組合，即C2=10nF，R7=68Ω，可以滿足工程的優化目標，由此得出最佳的PTC信號控制電路如圖8所示。

2.5 確認（Verify）

對所選擇的AB Level1組合，進行實際電路測試，并確認是否達到預設的工程目標。經實際測試，有效低電平的電壓值為0.3V，考慮地漂1.2V，共計1.5V<2V，能夠確保PTC模塊電路中的三極管Q3始終處于導通狀態。

表4 控制因子和水平

是否影響占空比的精度，取決于延遲下降到有效低電平時間與延遲上升到有效高電平時間差，經測試確認：PWM輸出信號下降為有效低電平的延時時間為7μs，PWM輸出信號上升到有效高電平的延時時間為16.4μs，因此，對占空比的精度值為（16.4-7）/（1/150）×106×100%≈0.14%<2%，可以滿足精度要求。

圖8 PTC控制電路

2.6 六西格瑪設計的優勢

六西格瑪設計的優勢主要有以下4個方面：①強調價值與客戶思維，設計方案的選取來源于對客戶需求的深層次分析；②一種可實施有重點的方法，通過各個維度對比，篩選出最佳設計方案，并對其重點研究并實施；③更廣泛的參與性，該活動是以小組的形式開展，成員各司其職，有一定的參與深度與廣度；④明智地應用技術，通過對最佳方案再進行深度優化，可以做到優中選優［3］。因此，基于六西格瑪設計嚴謹的IDDOV流程，最終獲得了自動空調控制器PTC信號電路最佳組合設計，且成本最優。

3 結論

本文以自動空調控制器PTC PWM控制信號電路的設計為例，運用六西格瑪設計的IDDOV流程方法，開發了滿足客戶需求的PTC控制信號電路，而且優化了成本、開發周期，提升了電子模塊零件的開發品質，體現了六西格瑪設計的在產品開發方面的優越性，在汽車電子模塊開發上值得推廣與應用。