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[分享] 为严酷的汽车环境而设计的集成电路

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发表于 2015-11-2 06:40:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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副标题#e#                          背景
  在美国,用户已购买的已经超过 2.44 亿辆(截至 2006 年 6 月),同时每年大约再售出 1800 万辆(这个数字中包括轻型卡车)。即使把歇业率考虑在内,这也意味着每年的净增车辆达 800 万部之多!美国公众通常将其座驾视为其特有个性的延伸。因此,他们要保留并使用自己的汽车,而不是使用公共交通工具。由于这个原因,美国对汽车的需求不会下降,而是会持续增长,因为随着年轻的消费者达到法定年龄,他们也将购买自己的汽车。
  另外,随着世界各地实施了多种新的尾气排放标准,一种称为“Hybrid(混合动力)”的新型汽车日益受到欢迎。这种新趋势的势头只会增强,并给汽车领域注入新的活力。结果,预计到 2015 年,全球汽车销售量将达到 8200 万辆,而 2007 年为 6600 万辆。令人关注的是,增长最快的将是中国市场,中国汽车销量预计将从 2007 年的 700 万辆激增到 2015 年的 1400 万辆,年复合增长率约为 9%.显然,这表明汽车电子产品有极大的增长潜力。
  这对汽车电子产品的增长意味着什么?
  首先,汽车电子产品必须能够承受极宽的极限温度范围。在北方,温度可能下降至 -40℃,而在引擎仓内,温度可能升高到 +125℃。这与对军用级组件的期望一样高,但却是在一个对成本非常敏感的市场。
  汽车中的 12V 电池电源被称为“炼狱中的电源”,这种叫法有充分的理由。在非常冷的天气中启动发动机,常常被称作“冷车发动”,这种情况可能导致电池电压下降至 4V.而在有些汽车公司,这一电压要求甚至降得更低。电池连接不牢固或重负载断开常常导致出现“”情况。在这种情况下,12V 电池电压也许瞬间超过 100V,就一个所谓的 12V 系统而言,这也许不是人们期望出现的情况。让事情更加棘手的是,即使电池装反了,也不允许电子产品有任何损坏。
  显然,从环境温度和工作电压的角度来看,汽车电子产品所处的环境非常严酷,不仅如此,汽车环境在其它一些方面也呈现出同样的挑战性。由于汽车中的电子产品越来越多,因此容纳这些系统的空间越来越小了。复杂的电子系统现在必须塞进引擎仓、仪表板、头垫等狭小空间中。
   正在取代白炽灯
  豪华汽车制造商正在越来越多地利用最新的固态 LED 照明技术增强其汽车的美感,将这些更轻、更小和更可靠的产品用于内部和外部照明。例子之一是奥迪 (Audi) 新的A8豪华跑车,通过这款车,奥迪第一次提供完整的 LED 前灯组装作为选项。LED 还有望降低成本并延长寿命,这与白炽灯用于内部照明相比是明显的优点,例如,高强度放电(HID)和卤素灯用于前灯。

LED 在标准型汽车中的使用

LED 在标准型汽车中的使用

图 1  LED 在标准型汽车中的使用

  不过,用汽车电池驱动 LED 需要一个 DC/DC 转换器,以准确调节 LED 电流,确保一致的光强和颜色一致性并保护 LED.另外,依照 LED 打算用作前灯、尾灯、信号指示灯、内部气氛灯或阅读灯而定,DC/DC 稳压器还应该为具体的电源需求而优化。图 1 显示了 LED 在汽车中各个部位用来照明的例子。
  另外,一个巨大的挑战是,用可能低于、等于或高于负载电压的电池电压为一个或几个 LED 串供电。另一个令人担忧的问题是,以大调光比和高效率为 LED 调光,同时在低亮度端和高亮度端保持颜色特性不变。DC/DC 驱动器高效率工作是一个关键要求,尤其在驱动高亮度(HB)LED 时更是这样,因为未转换成发射光的功率都通过发热浪费了。
  未来趋势和可靠性问题
  将来,汽车中的电子产品将会普遍得多,这是事实。如果不采取不同的方法来解决与日益增多的电子产品有关问题,那么今天看到的可靠性问题注定会变得更严重。而且问题不仅是客户满意度,它还正在变成对行车安全的担忧。收音机不能正常工作是一回事,但是如果电动转向系统失灵,汽车需要驶到路边以重启系统,那问题就大得多了!
  那么可以做些什么来解决这些令人担忧的问题,又不会倒退回汽化器和燃点时代呢?也许可以从日本厂商那里得到启示。毕竟,雷克萨斯(Lexus) 1995 年在可靠性上排名第一,2005 年仍然位居第一。日本人也成功地实现了一致的高质量标准,不管他们的车是在哪里生产的。在日本名谷屋或美国俄亥俄州生产的汽车质量一样高。日本人是通过与供应商紧密合作并在设计阶段关注每一个细节做到这一点的。
  客户发现的绝大多数问题都源自设计阶段而不是生产阶段。缺点一旦设计进去了,任何工人都不可能在生产中将其剔除出去。另外,没有可靠的组件,也不可能造出可靠的汽车。很明显,只采用系统级的方法不能解决所有问题。系统级和组件级需要齐头并进。
                        #p#副标题#e#  因此我们需要用两步走的方式完成电子产品设计。要提高未来汽车的质量,同时需要卓越的系统级 设计和出色的组件级可靠性。怎样才能做到这一点? 首先,必须确定所有系统级问题并仔细规划,因为系统架构问题在后来的设计阶段是很难解决的。

  由于汽车的网络化程度越来越高,因此在开发初期就确定系统间传递信息的类型和系统通信控制方式是至关重要的。功率、热量和空间限制也必须在系统级规划阶段解决。尽管单个子系统在备用状态可能只消耗两三毫安,但是在未来的汽车中,可能有 100 个这样的子系统,会迅速耗尽汽车电池的电量。诸如此类的限制因素可能对电源系统类型的选择产生重大影响。而且,正如前面提到的那样,必须在系统级规划时考虑防止子系统间可能产生干扰的措施。
  经过多年的模拟开发,凌力尔特公司深知,最成功的产品一定是与客户紧密合作的产品,我们根据客户需求,确定最佳集成电路。我们并不是一上来就问客户,需要什么类型的集成电路或希望实现什么样的性能规格,而是问“这个项目的目标是什么?你们试图解决什么问题?”集成电路设计师与系统设计师的着眼点不同,常常提出客户并不知道也无从要求的创新性解决方案。系统设计师与集成电路设计师思路开阔地合作,总是会产生性能最佳、成本最低和最可靠的解决方案。
  正如前面已经提到的那样,只采用系统级方法明显是不够的。组件级可靠性也是至关重要的。从历史上看,汽车设备制造商一直把重点放在单个组件的质量上,以此确保集成电路的质量。这个过程确实很重要,但是只有这种过程还不能确保系统的可靠性。例如,一个 DC/DC 控制器集成电路可能出色地通过了组件级合格性测试,但是如果工作模式没有确定好,同时接通了顶部和底部的栅极驱动器,那么即使该集成电路本身不会有任何问题,也可能损坏外部 MOSFET.而这类问题不容易由组件级合格性测试检测出来。
  由于组件级合格性测试检测不到这类问题,因此汽车设备制造商必须非常仔细地选择集成电路供应商。汽车制造商应该检查目标供应商过往的现场故障率,也应该花力气了解该供应商的“质量文化”。电路设计师、测试工程师和芯片工厂操作员做了哪些工作来确保其集成电路具有一致的质量和可靠性?
  汽车制造商要考虑“总体拥有成本”,而不是在满足最低要求的情况下简单地选择最便宜的集成电路,这一点也很重要。在选择集成电路厂商时,不够充分的应用支持、交货不够准时以及附加的外部组件所带来的成本都要予以考虑。最后,只要有可能,就应该选择专门为苛刻的汽车环境而设计的集成电路。
  集成电路应该规定工作在宽温度范围,就电源管理集成电路而言,在有些情况下,要能够承受高达150℃的结温。对于电源器件来说,仅规定器件的额定工作温度为125℃还不够,因为结温会高于环境温度。始终保持接通的子系统应该采用具有非常低的备用模式电流的集成电路,以最大限度地减少电池泄漏。能够承受冷车发动和情况也是至关重要的。
  要提高可靠性,汽车系统设计师与集成电路设计师的互动必不可少。系统架构合理、仔细选择集成电路供应商以及专门为汽车应用而设计的集成电路是未来保证汽车可靠性的关键因素。组件级可靠性仍然是不可或缺的,但是只有组件级可靠性是不够的。
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