將來(lái)在汽車(chē)中,電子產(chǎn)品的應(yīng)用將變得普遍得多。不過(guò),如果不采取不同的方法來(lái)解決與日益增多的電子產(chǎn)品有關(guān)的問(wèn)題,那么今天看到的可靠性問(wèn)題注定會(huì)變得更嚴(yán)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(hào)有關(guān)的質(zhì)量問(wèn)題,他們不得不注銷(xiāo)6億美元收益。而且問(wèn)題不僅關(guān)系到客戶(hù)滿(mǎn)意度,它也正在變成對(duì)行車(chē)安全的擔(dān)憂(yōu)。收音機(jī)不能正常工作不是什么大事,但是如果電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈,汽車(chē)需要駛到路邊以重啟系統(tǒng),那問(wèn)題就大得多了!

那么可以做些什么來(lái)解決這些令人擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題,又不會(huì)倒退回化油器時(shí)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(shí)現(xiàn)了一致的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),不管他們的車(chē)是在哪里生產(chǎn)的。在日本名古屋或美國(guó)俄亥俄州生產(chǎn)的汽車(chē)質(zhì)量一樣高。日本人是通過(guò)與供應(yīng)商緊密合作并在設(shè)計(jì)階段關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)做到這一點(diǎn)的。

客戶(hù)發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)問(wèn)題都源自設(shè)計(jì)階段而不是生產(chǎn)階段。缺點(diǎn)一旦設(shè)計(jì)進(jìn)去了,任何工人都不可能在生產(chǎn)中將其剔除出去。另外,沒(méi)有可靠的器件,也不可能造出可靠的汽車(chē)。很明顯,只采用系統(tǒng)級(jí)的方法不能解決所有問(wèn)題,系統(tǒng)級(jí)和器件級(jí)需要齊頭并進(jìn)。

因此我們需要用兩步走的方式完成汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。要提高未來(lái)汽車(chē)的質(zhì)量,同時(shí)需要卓越的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和出色的器件級(jí)可靠性。怎樣才能做到這一點(diǎn)？首先,必須確定所有系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題并仔細(xì)規(guī)劃,因?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)問(wèn)題在后來(lái)的設(shè)計(jì)階段是很難解決的。

由于汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò)化程度越來(lái)越高,因此在開(kāi)發(fā)初期就確定系統(tǒng)間傳遞信息的類(lèi)型和系統(tǒng)通信控制方式是至關(guān)重要的。功率、熱量和空間限制也必須在系統(tǒng)級(jí)規(guī)劃階段解決。盡管單個(gè)子系統(tǒng)在備用狀態(tài)可能只消耗兩三毫瓦功率,但是在未來(lái)的汽車(chē)中,可能有100個(gè)這樣的子系統(tǒng),這會(huì)迅速耗盡汽車(chē)電池的電量。諸如此類(lèi)的限制因素可能對(duì)電源系統(tǒng)類(lèi)型的選擇產(chǎn)生重大影響。而且,正如前面提到的那樣,必須在系統(tǒng)級(jí)規(guī)劃時(shí)考慮防止子系統(tǒng)間可能產(chǎn)生干擾的措施。

經(jīng)過(guò)多年的模擬集成電路開(kāi)發(fā),凌力爾特公司深知最成功的產(chǎn)品一定是與客戶(hù)緊密合作的產(chǎn)品,我們根據(jù)客戶(hù)需求,確定最佳集成電路。我們并不是一上來(lái)就問(wèn)客戶(hù)需要什么類(lèi)型的集成電路或希望實(shí)現(xiàn)什么樣的性能規(guī)格,而是問(wèn):“這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是什么？你們?cè)噲D解決什么問(wèn)題？”集成電路設(shè)計(jì)師與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的著眼點(diǎn)不同,常常提出客戶(hù)并不知道也無(wú)從要求的創(chuàng)新性解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與集成電路設(shè)計(jì)師思路開(kāi)闊地合作,總是會(huì)產(chǎn)生性能最佳、成本最低和最可靠的解決方案。

正如前面已經(jīng)提到的那樣,只采用系統(tǒng)級(jí)方法明顯是不夠的。器件級(jí)可靠性也是至關(guān)重要的。從歷史上看,汽車(chē)設(shè)備制造商一直把重點(diǎn)放在單個(gè)器件的質(zhì)量上,以此確保集成電路的質(zhì)量。這個(gè)過(guò)程確實(shí)很重要,但是只有這種過(guò)程還不能確保系統(tǒng)的可靠性。例如,一個(gè)DC/DC控制器集成電路可能出色地通過(guò)了器件級(jí)合格性測(cè)試,但是如果工作模式?jīng)]有確定好,同時(shí)接通了頂部和底部的柵極驅(qū)動(dòng)器,那么即使該集成電路本身不會(huì)有任何問(wèn)題,也可能損壞外部MOSFET。而這類(lèi)問(wèn)題不容易由器件級(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)出來(lái)。

由于器件級(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)不到這類(lèi)問(wèn)題,因此汽車(chē)設(shè)備制造商必須非常仔細(xì)地選擇集成電路供應(yīng)商。汽車(chē)制造商應(yīng)該檢查目標(biāo)供應(yīng)商過(guò)往的現(xiàn)場(chǎng)故障率,也應(yīng)該花力氣了解該供應(yīng)商的“質(zhì)量文化”。電路設(shè)計(jì)師、測(cè)試工程師和芯片工廠操作員做了哪些工作來(lái)確保其集成電路具有一致的質(zhì)量和可靠性？

汽車(chē)制造商要考慮“總體擁有成本”,而不是在滿(mǎn)足最低要求的情況下簡(jiǎn)單地選擇最便宜的集成電路,這一點(diǎn)也很重要。在選擇集成電路廠商時(shí),不夠充分的應(yīng)用支持、交貨不夠準(zhǔn)時(shí)以及附加的外部器件所帶來(lái)的成本都要予以考慮。最后,只要有可能,就應(yīng)該選擇專(zhuān)門(mén)為苛刻的汽車(chē)環(huán)境而設(shè)計(jì)的集成電路。

集成電路應(yīng)該規(guī)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(dá)150℃的結(jié)溫。對(duì)于電源器件來(lái)說(shuō),僅規(guī)定器件的額定工作溫度為125℃還不夠,因?yàn)榻Y(jié)溫會(huì)高于環(huán)境溫度。始終保持接通的子系統(tǒng)應(yīng)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(chē)發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況也是至關(guān)重要的。

要提高可靠性,汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與集成電路設(shè)計(jì)師的互動(dòng)必不可少。系統(tǒng)架構(gòu)合理、仔細(xì)選擇集成電路供應(yīng)商以及專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成電路是未來(lái)保證汽車(chē)可靠性的關(guān)鍵因素。器件級(jí)可靠性仍然是不可或缺的,但是只有器件級(jí)可靠性是不夠的。

汽車(chē)環(huán)境對(duì)任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都是非常嚴(yán)酷的。寬工作電壓要求加上高瞬態(tài)電壓和寬溫度偏移,使電子系統(tǒng)工作異常艱難。同時(shí),隨著器件數(shù)量增加,可用空間越來(lái)越小。因此由于空間限制和溫度要求,效率變得更加關(guān)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(shí),簡(jiǎn)單使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓都不再實(shí)際了。因此,在過(guò)去幾年中,主要因?yàn)闊嵯拗频脑?開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線(xiàn)性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率的提高和占板面積的減小的好處超過(guò)了附帶產(chǎn)生的復(fù)雜性和EMI問(wèn)題。

考慮到這些限制因素,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要具有以下特點(diǎn)和特性:寬輸入電壓工作范圍；在寬負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率；在正常工作、備用和停機(jī)模式時(shí)具有低靜態(tài)電流；低熱阻；最低的噪聲和EMI輻射。

因此,一個(gè)好的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要規(guī)定在3V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。60V額定值為14V系統(tǒng)提供了良好的裕度,14V系統(tǒng)通常箝位在36V至40V范圍內(nèi)。另外,寬負(fù)載范圍的高效率電源轉(zhuǎn)換在大多數(shù)汽車(chē)系統(tǒng)中也是必不可少的。例如,在負(fù)載范圍為10mA至?xí)r,就一個(gè)5V輸出而言,預(yù)計(jì)需要約85%的電源轉(zhuǎn)換效率。在大電流時(shí),內(nèi)部開(kāi)關(guān)需要有良好的飽和度,一般在1A時(shí)為0.2Ω。為了提高輕負(fù)載時(shí)的效率,需降低驅(qū)動(dòng)電流或讓驅(qū)動(dòng)電流與負(fù)載電流成正比。另外,內(nèi)部控制電路的電源必須通過(guò)“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(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)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(chē)系統(tǒng)中的很多應(yīng)用需要連續(xù)供電,甚至在汽車(chē)停放后也是這樣,例如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)啟系統(tǒng)、安全與GPS系統(tǒng)。這些應(yīng)用的關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流,以延長(zhǎng)電池壽命。在這類(lèi)情況下,穩(wěn)壓器會(huì)以正常的連續(xù)開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行,直到輸出電流降至低于約100mA為止。低于這個(gè)電流值以后,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須脈沖跳躍以保持穩(wěn)壓。在脈沖之間穩(wěn)壓器可以進(jìn)入休眠模式,這時(shí)只給部分內(nèi)部電路供電。不過(guò),在輕負(fù)載電流時(shí),開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要自動(dòng)切換至突發(fā)模式工作。

盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線(xiàn)性穩(wěn)壓器產(chǎn)生更多噪聲,但是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率高得多。在很多敏感應(yīng)用中已經(jīng)證明,只要開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作是可預(yù)測(cè)的,那么噪聲和EMI值就可以控制。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在通常工作模式時(shí)以恒定頻率切換,那么切換邊緣是干凈和可預(yù)測(cè)的,沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴,這時(shí)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(wěn)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(tǒng)附帶的噪聲源。

汽車(chē)電子產(chǎn)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?zhèn)}內(nèi)溫度可能高達(dá)+125℃。這樣的要求與對(duì)軍用級(jí)器件的要求相同,但是汽車(chē)電子產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)成本是非常敏感的。

汽車(chē)中的12V電池電源一直被稱(chēng)為“來(lái)自地獄的電源”,這么說(shuō)是有充分理由的。在非常寒冷的天氣中發(fā)動(dòng)引擎,常常稱(chēng)為“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”,可能導(dǎo)致電池電壓降至4V。在某些汽車(chē)公司,這種電壓要求甚至更低。電池連接不牢固或重負(fù)載斷開(kāi)常常能導(dǎo)致“負(fù)載突降”情況。在這種情況下,12V電池電壓也許瞬間超過(guò)100V,對(duì)于一個(gè)所謂的12V系統(tǒng),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(chǎn)品也絕對(duì)不能有任何損壞。

因此很明顯,從環(huán)境溫度和工作電壓角度來(lái)看,汽車(chē)電子產(chǎn)品所處環(huán)境非常嚴(yán)酷。不僅如此,在其他幾方面,這種環(huán)境也具有同樣的挑戰(zhàn)性。隨著越來(lái)越多的電子產(chǎn)品進(jìn)入汽車(chē),汽車(chē)系統(tǒng)空間正在變得非常受限。例如,復(fù)雜的電子系統(tǒng)現(xiàn)在必須塞進(jìn)引擎?zhèn)}、儀表板、座椅頭靠等狹小空間中,

總之,嚴(yán)酷的環(huán)境加上汽車(chē)電子系統(tǒng)中存在的各種瞬態(tài)情況仍然是沒(méi)有豎立牢固市場(chǎng)地位的集成電路供應(yīng)商進(jìn)入這一市場(chǎng)的重大障礙,不管這些系統(tǒng)是在引擎罩內(nèi)還是儀表板下。

作者:

Tony Armstrong

產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

tarmstrong@

凌力爾特公司電源產(chǎn)品部