發布日期：2022-07-14 點擊率：59
將來在汽車中,電子產品的應用將變得普遍得多。不過,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的問題,那么今天看到的可靠性問題注定會變得更嚴重。以梅塞德斯奔馳為例,在2005年第一季度,由于與其E-Class和S-Class型號有關的質量問題,他們不得不注銷6億美元收益。而且問題不僅關系到客戶滿意度,它也正在變成對行車安全的擔憂。收音機不能正常工作不是什么大事,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,又不會倒退回化油器時代呢？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。在日本名古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,沒有可靠的器件,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,系統級和器件級需要齊頭并進。
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器件級可靠性。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。
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。器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器件的質量上,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器件級合格性測試,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器件級合格性測試檢測出來。
由于器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器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。器件級可靠性仍然是不可或缺的,但是只有器件級可靠性是不夠的。
汽車環境對任何類型的電子產品來說都是非常嚴酷的。寬工作電壓要求加上高瞬態電壓和寬溫度偏移,使電子系統工作異常艱難。同時,隨著器件數量增加,可用空間越來越小。因此由于空間限制和溫度要求,效率變得更加關鍵了。在低輸出電壓和甚至中等電流水平以及功率高于幾百毫瓦時,簡單使用線性穩壓器來產生這些系統電壓都不再實際了。因此,在過去幾年中,主要因為熱限制的原因,開關穩壓器正在取代線性穩壓器。開關穩壓器效率的提高和占板面積的減小的好處超過了附帶產生的復雜性和EMI問題。
考慮到這些限制因素,開關穩壓器需要具有以下特點和特性:寬輸入電壓工作范圍；在寬負載范圍內具有高效率；在正常工作、備用和停機模式時具有低靜態電流；低熱阻；最低的噪聲和EMI輻射。
因此,一個好的汽車開關穩壓器需要規定在3V至60V的寬輸入電壓范圍內工作。60V額定值為14V系統提供了良好的裕度,14V系統通常箝位在36V至40V范圍內。另外,寬負載范圍的高效率電源轉換在大多數汽車系統中也是必不可少的。例如,在負載范圍為10mA至時,就一個5V輸出而言,預計需要約85%的電源轉換效率。在大電流時,內部開關需要有良好的飽和度,一般在1A時為0.2Ω。為了提高輕負載時的效率,需降低驅動電流或讓驅動電流與負載電流成正比。另外,內部控制電路的電源必須通過“BIAS”引腳提供,而“BIAS”引腳可以由輸出提供供電,這利用了降壓型轉換器的電源轉換效率。由于偏置電流是從輸出而不是輸入獲得的,因此按照輸出與輸入電壓比降低了控制電路所需的輸入電源電流。
汽車系統中的很多應用需要連續供電,甚至在汽車停放后也是這樣,例如遙控車門開啟系統、安全與GPS系統。這些應用的關鍵要求是低靜態電流,以延長電池壽命。在這類情況下,穩壓器會以正常的連續開關模式運行,直到輸出電流降至低于約100mA為止。低于這個電流值以后,開關穩壓器必須脈沖跳躍以保持穩壓。在脈沖之間穩壓器可以進入休眠模式,這時只給部分內部電路供電。不過,在輕負載電流時,開關穩壓器需要自動切換至突發模式工作。
盡管開關穩壓器比線性穩壓器產生更多噪聲,但是開關穩壓器的效率高得多。在很多敏感應用中已經證明,只要開關穩壓器的工作是可預測的,那么噪聲和EMI值就可以控制。如果開關穩壓器在通常工作模式時以恒定頻率切換,那么切換邊緣是干凈和可預測的,沒有過沖或高頻振鈴,這時EMI最低。小的封裝尺寸和高工作頻率有助于形成緊湊的小型布局,這最大限度地降低了EMI輻射。另外,如果穩壓器可以與低ESR陶瓷電容器一起使用,那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度地減小,這些紋波是系統附帶的噪聲源。
汽車電子產品必須能夠承受極寬的溫度范圍。在北方,溫度可能降至-40℃,而在引擎倉內溫度可能高達+125℃。這樣的要求與對軍用級器件的要求相同,但是汽車電子產品市場對成本是非常敏感的。
汽車中的12V電池電源一直被稱為“來自地獄的電源”,這么說是有充分理由的。在非常寒冷的天氣中發動引擎,常常稱為“冷車發動”,可能導致電池電壓降至4V。在某些汽車公司,這種電壓要求甚至更低。電池連接不牢固或重負載斷開常常能導致“負載突降”情況。在這種情況下,12V電池電壓也許瞬間超過100V,對于一個所謂的12V系統,這也許出乎意料。而且讓難度更加增大的是,即使電池安反了,電子產品也絕對不能有任何損壞。
因此很明顯,從環境溫度和工作電壓角度來看,汽車電子產品所處環境非常嚴酷。不僅如此,在其他幾方面,這種環境也具有同樣的挑戰性。隨著越來越多的電子產品進入汽車,汽車系統空間正在變得非常受限。例如,復雜的電子系統現在必須塞進引擎倉、儀表板、座椅頭靠等狹小空間中,
總之,嚴酷的環境加上汽車電子系統中存在的各種瞬態情況仍然是沒有豎立牢固市場地位的集成電路供應商進入這一市場的重大障礙,不管這些系統是在引擎罩內還是儀表板下。
作者:
Tony Armstrong
產品市場經理
tarmstrong@
凌力爾特公司電源產品部
