为严酷的汽车环境而设计的集成电路
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2020-07-31
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为严酷的汽车环境而设计的集成电路为严酷的汽车环境而设计的集成电路
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。
背景
在美国，用户已购买的汽车已经超过 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“负载突降”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。
LED 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。
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。
因此我们需要用两步走的方式完成汽车电子产品设计。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
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