如何設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)規(guī)級(jí)ECU?
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在發(fā)明汽車(chē)近一百年后，汽車(chē)電子技術(shù)才迎來(lái)了快速發(fā)展及應(yīng)用，在此之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間，車(chē)上唯一的電子模塊可能就是收音機(jī)。而現(xiàn)在，一輛現(xiàn)代化轎車(chē)上通常需要安裝 50 個(gè)以上的電子模塊，整車(chē)電線長(zhǎng)度超過(guò) 3km。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/202503/468594.htm在眾多的車(chē)載電子模塊中，與車(chē)輛控制及安全緊密相關(guān)的就是各種各樣的 ECU 。ECU 的車(chē)載應(yīng)用最早可以追溯到 1968 年，距今已有半個(gè)多世紀(jì)。圖1 為 1968 年大眾的一款掀背車(chē)廣告，當(dāng)時(shí)隨著排放法規(guī)的發(fā)布，大眾量產(chǎn)了全球第一輛采用 ECU 來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射的汽車(chē)，當(dāng)時(shí)廣告宣傳的名字為電子大腦（Electronic Brain），廣告的標(biāo)題為“大眾電子大腦，比化油器更聰明”，從“電子大腦”這個(gè)名字就能感受到當(dāng)時(shí)人們對(duì)車(chē)輛電子化及智能化的憧憬。
圖1 1968 年大眾一款掀背車(chē)的廣告
實(shí)際上，汽車(chē)電子化在更早之前的 1955 年便開(kāi)始了。隨著第一臺(tái)晶體管汽車(chē)收音機(jī)的推出，便拉開(kāi)了汽車(chē)電子化的歷史大幕。此后，汽車(chē)電子技術(shù)迅速發(fā)展，各種電子模塊如雨后春筍般被發(fā)明出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于各種車(chē)輛上，如 ABS、安全氣囊系統(tǒng)、電子控制門(mén)鎖系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車(chē)輛防盜系統(tǒng)等。根據(jù) Statista.com 的數(shù)據(jù)，在此期間，汽車(chē)中電子設(shè)備價(jià)值的整車(chē)占比躍升了 10 倍以上，從 20世紀(jì) 60 年代占汽車(chē)成本的 3% 上升到 2020 年的約 40%，預(yù)計(jì)在 2030 年后將達(dá)到 50% 以上。
01 什么是ECU
通常所說(shuō)的 ECU，是 Electronic Control Unit 的縮寫(xiě)，ECU 又稱電子控 制單元或電控單元，是汽車(chē)電子系統(tǒng)中用來(lái)控制電子電氣系統(tǒng)及汽車(chē)子系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。而發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（Engine Control Unit）的縮寫(xiě)也為 ECU，為避免混淆，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器一般簡(jiǎn)稱為發(fā)動(dòng)機(jī) ECU。汽車(chē)上存在大量用于實(shí) 現(xiàn)控制功能的嵌入式系統(tǒng)模塊，這些模塊可以統(tǒng)稱為電子控制模塊或電控模 塊，它們同其他一些不實(shí)現(xiàn)控制功能的汽車(chē)電子模塊，如儀表、影音娛樂(lè)、 導(dǎo)航模塊等，統(tǒng)稱為電子模塊。
汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，設(shè)計(jì)一輛汽車(chē)成了一件極其復(fù)雜的事情，而這其中很大一部分要?dú)w因于車(chē)輛電氣化、智能化帶來(lái)的 ECU 數(shù)量的不斷增加。如今的中型燃油轎車(chē)，ECU 可能多達(dá) 70 個(gè)，豪華車(chē)的ECU 通常超過(guò) 100 個(gè)，各個(gè) ECU 負(fù)責(zé)相應(yīng)的控制功能。
如圖2 所示，ECU 從本質(zhì)上來(lái)講，就是一個(gè)輸入—處理—輸出系統(tǒng)，即 IPO 系統(tǒng)（Input-Process-Output），也稱為 SPA 模型（Sense-Plan-Act ）。
圖2 ECU 功能示意圖
簡(jiǎn)單來(lái)講，ECU 只做三件事情：采集信號(hào)、信號(hào)處理和輸出處理結(jié)果。
1.1 采集信號(hào)
采集信號(hào)即通過(guò)各種方式（有線或無(wú)線）采集輸入 ECU 的各種信號(hào)（數(shù)字或模擬信號(hào)）。
有線信號(hào)：通過(guò)線纜直接輸入的信號(hào)，硬線信號(hào)如各類(lèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)、傳感器信號(hào)等。
通信信號(hào)：通過(guò)通信方式如串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network ，CAN）、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network ，LIN）或以太網(wǎng)（Ethernet）等。
無(wú)線信號(hào)：如低頻（Low Frequency，LF）信號(hào)、射頻（Radio Frequency，RF）信號(hào)、藍(lán)牙（Bluetooth，BLE）信號(hào)等。
數(shù)字信號(hào)：簡(jiǎn)單的如高有效或低有效的開(kāi)關(guān)信號(hào)，或如脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation ，PWM）形式的調(diào)制信號(hào)，復(fù)雜的如數(shù)字?jǐn)z像頭信號(hào)。
模擬信號(hào)：如各種溫度、壓力、角度傳感器信號(hào)，雨量傳感器信號(hào)等，模擬信號(hào)一般在輸入 ECU 后都需要再轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后才能進(jìn)行處理。
1.2 信號(hào)處理
ECU 通常采用嵌入式系統(tǒng)，處理器通常為 MCU 。MCU 通常具有處理開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、PWM 信號(hào)、CAN/LIN/ 以太網(wǎng)通信信號(hào)的接口。但大多數(shù)時(shí)候，這些信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)專門(mén)的信號(hào)處理 / 轉(zhuǎn)換電路或芯片，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為 MCU 可識(shí)別的信號(hào)，然后才能進(jìn)行最終處理，具體算法或策略則根據(jù)應(yīng)用而定。
1.3 輸出結(jié)果
ECU 輸出結(jié)果的方式也根據(jù)應(yīng)用的不同差異較大，既可以僅輸出控制信號(hào)，通過(guò)如繼電器等間接方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載；也可以直接控制，通過(guò)大電流輸出的方式直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。輸出信號(hào)可以通過(guò)有線或無(wú)線方式，有線方式既可以是硬線信號(hào)，也可以是通信信號(hào)。
最初，人們?yōu)榱丝刂婆欧?，發(fā)明了發(fā)動(dòng)機(jī) ECU；為了被動(dòng)安全，發(fā)明了 ABS 和安全氣囊；為了乘車(chē)的舒適性及便利性，發(fā)明了座椅控制器和電子控制門(mén)鎖系統(tǒng)；為了減輕長(zhǎng)途駕駛的疲勞，發(fā)明了自動(dòng)巡航系統(tǒng)?？v觀近半個(gè)多世紀(jì)，車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展史基本就是各種 ECU 及電子模塊的發(fā)明史，電子技術(shù)對(duì)車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。
02 如何設(shè)計(jì)一個(gè)ECU
任何產(chǎn)品設(shè)計(jì)，無(wú)論是消費(fèi)品、工業(yè)品或汽車(chē)零部件，實(shí)際上都遵從相同的設(shè)計(jì)理念，也就是說(shuō)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的底層邏輯實(shí)際上是互通的。
2.1 設(shè)計(jì)要求
在做一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常首先考慮的是其功能的實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上再考慮其他有形或無(wú)形的一些要求，例如：
滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。
滿足客戶成本要求。
滿足客戶項(xiàng)目周期要求。
盡可能采用最新的技術(shù)。
盡可能降低開(kāi)發(fā)成本。
盡可能降低 BOM 成本。
盡可能降低生產(chǎn)成本。
汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及客戶標(biāo)準(zhǔn)都較為復(fù)雜，同時(shí)產(chǎn)品的成本要求又極高，項(xiàng)目周期也較消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)要長(zhǎng)。同時(shí)，因?yàn)榭煽啃砸蠛芨?，?chē)輛的開(kāi)發(fā)成本也較其他行業(yè)要高得多。以上這些復(fù)雜的要求暫時(shí)先拋開(kāi)不談，下面先從基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，介紹一個(gè) ECU 的設(shè)計(jì)過(guò)程。
2.2 設(shè)計(jì)流程
ECU 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單來(lái)講，通?？煞譃橐韵聨撞剑?/span>
系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
硬件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
軟件設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品測(cè)試。
2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖3所示，ECU 系統(tǒng)框圖包含了其與外部的連接關(guān)系及內(nèi)部的系統(tǒng)原理。
圖3 可以理解為一個(gè) ECU 最小系統(tǒng)，其中包含：
1. 電源部分。電源部分包含電源輸入（乘用車(chē)通常為 12V 系統(tǒng)，商用車(chē)為 24V 系統(tǒng)）和 ECU 內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換部分。ECU 內(nèi)部的芯片，如 MCU、運(yùn)算放大器、邏輯芯片等，工作電壓通常為 5V 或 3.3V，這就需要電源芯片對(duì)電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，壓差較小或小電流應(yīng)用通常采用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator ，LDO），壓差較大或大電流應(yīng)用則通常 采用直流轉(zhuǎn)直流（ Direct Current to Direct Current ，DC/DC）電源芯片，如需要多個(gè)電源軌，則通常采用電源管理芯片（Power Management Integrated Circuit ，PMIC ）。
圖3 ECU 系統(tǒng)框圖
2. 信號(hào)部分。輸入信號(hào)是最簡(jiǎn)單的硬線開(kāi)關(guān)信號(hào)，可以是高有效（開(kāi)關(guān)閉合時(shí)接通電源）或低有效（開(kāi)關(guān)閉合時(shí)接通車(chē)身地，即常說(shuō)的搭鐵）。信號(hào)輸入到 ECU 后，通過(guò)信號(hào)處理電路將信號(hào)轉(zhuǎn)化為 MCU 可識(shí)別的電壓信號(hào)。
3. 處理部分。ECU 通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，用 MCU 執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)處理工作。MCU 的外圍電路通常較為簡(jiǎn)單，僅需要電源及晶振即可正常工作。
4. 輸出部分。MCU 作為處理芯片，受限于驅(qū)動(dòng)能力，通常無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載，所以在 ECU 設(shè)計(jì)中會(huì)使用專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路或芯片來(lái)直接或間接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。圖3 即為 ECU 直接驅(qū)動(dòng)燈類(lèi)負(fù)載工作。
2.2.2 硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
不同于軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都屬于具體的實(shí)物設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)通常會(huì)同步進(jìn)行，并相互影響。對(duì) ECU 來(lái)講，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常包括殼體設(shè)計(jì)、連接器設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮產(chǎn)品尺寸、安裝方式、安裝位置、防護(hù)等級(jí)、機(jī)械強(qiáng)度等。
簡(jiǎn)單來(lái)講，硬件設(shè)計(jì)主要包括器件選型、設(shè)計(jì)原理圖、創(chuàng)建 BOM、設(shè)計(jì) PCB 等。圖4 為一個(gè)簡(jiǎn)化的 ECU 原理圖，其中包含接口部分、電源部分、輸入檢測(cè)部分、MCU 控制部分以及輸出驅(qū)動(dòng)部分。
原理圖設(shè)計(jì)完成后就可以導(dǎo)出產(chǎn)品的初始 BOM，表 1 為一個(gè)產(chǎn)品的 BOM 舉例。通常意義上的 BOM 僅僅是一個(gè)物料清單，類(lèi)似于人們?nèi)コ匈?gòu)物列的購(gòu)物清單，但對(duì)一個(gè)汽車(chē) ECU 來(lái)講，BOM 絕不僅僅是 BOM，它同時(shí)包含了非常多的其他信息。如表 1 中的 BOM 至少包含了以下信息：器件位置（頂層或底層）、物料編碼、物料描述、數(shù)量、位號(hào)、封裝、器件制造商、制造商物料編碼等。
圖4 簡(jiǎn)化的 ECU 原理圖
表 1 BOM 物料清單
BOM 對(duì)一個(gè)產(chǎn)品來(lái)講極其重要，從 ECU 設(shè)計(jì)前期開(kāi)始，貫穿了整個(gè) ECU 的一生。BOM 并不是通常認(rèn)為的設(shè)計(jì)完成后就一成不變，相反，BOM 是鮮活的，是有生命的，是隨著 ECU 一直在更新和進(jìn)化的；BOM 見(jiàn)證了 ECU 的一生，從 ECU 的誕生到成長(zhǎng)，從成熟到淘汰。
PCB 設(shè)計(jì)完成后就可以外發(fā)給 PCB 制板廠制板，工廠收到PCB 后就可以根據(jù) BOM 進(jìn)行 PCB 貼片，貼片完成后的電路板稱為電路板總成（PCB Assembly ，PCBA），如圖5 所示。PCBA 制作完成后會(huì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校 核，此時(shí)的殼體通常為 3D 打印樣件，在確認(rèn)設(shè)計(jì)匹配沒(méi)有問(wèn)題后才會(huì)下達(dá) 開(kāi)模指令進(jìn)行開(kāi)模。
實(shí)際上硬件設(shè)計(jì)工作遠(yuǎn)不止原理圖及 PCB 設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不止殼體設(shè)計(jì)，還有大量的設(shè)計(jì)分析、測(cè)試驗(yàn)證及流程文檔工作，這里暫不做過(guò)多描述。
2.2.3 軟件設(shè)計(jì)
基于這個(gè) ECU 最小系統(tǒng)，再加入一些軟件邏輯， ECU 便可以工作了。
圖5 PCB 與 PCBA
假定客戶需求如下：
輸入信號(hào) 1 有效，則紅燈亮，無(wú)效則紅燈滅。
輸入信號(hào) 2 有效，則綠燈亮，無(wú)效則綠燈滅。
根據(jù)以上需求制定的軟件邏輯如圖 6 所示。
圖6 ECU 軟件邏輯示意圖
實(shí)際上軟件設(shè)計(jì)工作遠(yuǎn)不止于此，通常意義上的嵌入式設(shè)計(jì)包括底層軟件設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成，除此之外還有網(wǎng)絡(luò)通信、診斷、軟件測(cè)試驗(yàn)證及流程文檔工作，這里暫不做過(guò)多描述。
2.2.4 產(chǎn)品測(cè)試
通常人們認(rèn)為產(chǎn)品測(cè)試就是指產(chǎn)品的功能測(cè)試，如根據(jù)上面提出的產(chǎn)品功能，可以設(shè)計(jì)如下測(cè)試計(jì)劃：
在輸入信號(hào) 1 、2 均無(wú)效的狀態(tài)下，接通 ECU 電源。
使輸入信號(hào) 1 有效，紅燈亮。
使輸入信號(hào) 1 無(wú)效，紅燈滅。
使輸入信號(hào) 2 有效，綠燈亮。
使輸入信號(hào) 2 無(wú)效，綠燈滅。
實(shí)際對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品來(lái)講，產(chǎn)品測(cè)試遠(yuǎn)不止于此。汽車(chē)電子產(chǎn)品測(cè)試通?？煞譃檠邪l(fā)階段測(cè)試、設(shè)計(jì)驗(yàn)證（Design Validation ，DV） 測(cè)試和量產(chǎn)后的產(chǎn)品驗(yàn)證 PV（Product Validation ，PV ）測(cè)試。從側(cè)重點(diǎn)來(lái)講，研發(fā)階段測(cè)試側(cè)重于產(chǎn)品的功能、性能、可靠性及參數(shù)等方面的測(cè)試，PV 測(cè)試則側(cè) 重于檢驗(yàn)產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的工藝、質(zhì)量穩(wěn)定性及一致性。
DV 測(cè)試作為檢驗(yàn)汽車(chē)電子零部件產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)質(zhì)量的一種測(cè)試手段， 是一個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。DV 測(cè)試通常意味著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的定型，因?yàn)橛布O(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在 DV 測(cè)試前需要設(shè)計(jì)凍結(jié)，即不再允許進(jìn)行任何設(shè)計(jì)更改，DV 測(cè)試結(jié)束后產(chǎn)品才被允許進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段，然后才能量產(chǎn)。
另外，不同于其他行業(yè)，汽車(chē)電子產(chǎn)品通常需要進(jìn)行 100% 產(chǎn)品檢測(cè)及 100% 功能測(cè)試，也就是說(shuō)，每個(gè)產(chǎn)品下線前都必須進(jìn)行檢測(cè)，而非抽檢；檢測(cè)時(shí)，每項(xiàng)硬件功能都需要進(jìn)行 100% 測(cè)試，而非抽檢個(gè)別功能，這種測(cè) 試在汽車(chē)行業(yè)稱為下線檢測(cè)（End of Line ，EOL），嚴(yán)格的 EOL 下線檢測(cè)流程雖然增加了生產(chǎn)時(shí)間、降低了生產(chǎn)效率，但卻有效地保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
03 電子模塊的車(chē)載應(yīng)用及生產(chǎn)要求
對(duì)于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品或工業(yè)級(jí)產(chǎn)品來(lái)講，功能實(shí)現(xiàn)距離商用已不太遠(yuǎn)，而對(duì)于汽車(chē)行業(yè)來(lái)講，僅僅實(shí)現(xiàn)了基本功能的原型機(jī)，通常只能稱之為演示樣品 （Demonstration ，Demo），意思就是僅僅可以作為功能演示之用，距離實(shí)際的車(chē)載應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。
除基本的功能要求外，車(chē)載應(yīng)用還需要面對(duì)嚴(yán)苛的車(chē)輛內(nèi)外部環(huán)境、復(fù)雜的電氣及電磁環(huán)境、高可靠性及安全性要求、長(zhǎng)壽命要求、低成本要求、生產(chǎn)制造可行性要求、批量一致性要求等。
3.1 嚴(yán)苛的車(chē)輛內(nèi)外部環(huán)境
相對(duì)于消費(fèi)級(jí)或工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，車(chē)載產(chǎn)品所面對(duì)的內(nèi)外部環(huán)境則要嚴(yán)苛得多，具體如下。
3.1.1 耐溫要求
汽車(chē)使用環(huán)境的溫度范圍從最熱的沙漠到最冷的極地，車(chē)載電子模塊需要在各種狀況下正常工作。
研究表明，汽車(chē)的駕駛艙工作溫度范圍為 -40~85℃。
發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度為 -40~125℃,其某些低溫區(qū)域也要求達(dá)到 105 ℃。
車(chē)載應(yīng)用要求的極寬的溫度變化范圍，對(duì)汽車(chē)電子設(shè)計(jì)來(lái)講是一個(gè)極高的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于電子元器件來(lái)講，高溫會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。以電阻器為例，電阻器的額定功率會(huì)隨溫度升高而降低，設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮溫度變化產(chǎn)生的降額，如在溫度超過(guò) 70℃后，功率需要按 1.25%/℃進(jìn)行降額使用。再如功率芯片，如果最高允許結(jié)溫為 170℃,而環(huán)境溫度為 125℃,再疊加殼體密封的溫度影響，及功率芯片因高溫帶來(lái)的導(dǎo)通阻抗升高、發(fā)熱增大，綜合影響下，功率芯片的工作溫度就僅有不到 40℃的設(shè)計(jì)裕量。
3.1.2 耐濕度及防水要求
車(chē)載電子模塊要求在所有的濕度范圍（相對(duì)濕度 10%~ 100%） 內(nèi)能夠正常工作。
高相對(duì)濕度會(huì)導(dǎo)致水汽進(jìn)入某些電子元器件內(nèi)部，導(dǎo)致電子模塊損壞。
某些產(chǎn)品應(yīng)用要求完全防水，即使采用高溫高壓噴水，或完全浸入水中亦能正常工作。
3.1.3 耐灰塵、污垢及鹽霧
車(chē)載電子模塊根據(jù)安裝位置不同，有不同的耐灰塵、污垢及鹽霧的要求。對(duì)于裸露安裝的產(chǎn)品，均要求有相應(yīng)的防水、防塵等級(jí)，對(duì)產(chǎn)品上的金屬材料，如殼體、金屬支架、螺釘?shù)葎t必須具有相應(yīng)的耐鹽霧腐蝕的能力。
通常來(lái)講，產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)分為兩部分：防塵和防水，二者是相互獨(dú)立的。對(duì)車(chē)載電子產(chǎn)品來(lái)講，在對(duì)產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)做出要求時(shí)，通常是對(duì)二者均有要求。如按照國(guó)標(biāo) GB/T 4208—2017 《外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）》的規(guī) 定，第一位特征數(shù)字表示防止固體異物進(jìn)入的防護(hù)等級(jí)，第二位特征數(shù)字表 示防止水進(jìn)入的防護(hù)等級(jí)。如 IP57，“5”表示防塵，“7”表示短時(shí)間浸水，產(chǎn)品達(dá)到 IP57 就表示可以防塵和防短時(shí)間浸水。
3.1.4 耐機(jī)械振動(dòng)、沖擊
車(chē)輛的應(yīng)用環(huán)境極其多樣化，從城市到鄉(xiāng)村、再到野外，車(chē)輛需要應(yīng)對(duì)不同的復(fù)雜路況，車(chē)載電子模塊也需要能夠在各種機(jī)械振動(dòng)和沖擊下正常工作。以國(guó)內(nèi)某大型乘用車(chē) OEM 的振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為例，標(biāo)準(zhǔn)從輕度、中度、 劇烈到極度劇烈共分 9 個(gè)等級(jí)，極度劇烈的最高加速度為 294m/s2,近 30g，而戰(zhàn)斗機(jī)飛行員最大可以承受的加速度是10g。
參考汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)載電子模塊需要面對(duì)的外部環(huán)境條件可以概括如 圖7 所示。
圖7 車(chē)載電子模塊需要面對(duì)的外部環(huán)境條件
3.2 極其復(fù)雜的電氣及電磁環(huán)境
車(chē)載電子模塊在面對(duì)嚴(yán)苛的外部環(huán)境條件的同時(shí)，還需要面對(duì)更加復(fù)雜的內(nèi)部電氣及電磁環(huán)境條件，這個(gè)挑戰(zhàn)甚至比外部環(huán)境更加嚴(yán)苛。參考汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)載電子模塊需要面對(duì)的電氣和電磁環(huán)境包括：
供電電壓。12V 系統(tǒng)：9~16V；24V 系統(tǒng)：16~32V。
反向電壓。12V 系統(tǒng)：-14V/1min；24V 系統(tǒng)：-28V/1min。
電壓瞬降。12V 系統(tǒng)：4.5V/100ms；24V 系統(tǒng)：9V/100ms。
跳線啟動(dòng)。12V 系統(tǒng)：24V/1min。
啟動(dòng)特性。12V 系統(tǒng)：3V/4.5V；24V 系統(tǒng)：6V/8V。
拋負(fù)載。12V 系統(tǒng)：87V/400ms；24V 系統(tǒng)：174V/350ms。
傳導(dǎo)抗擾。12V 系統(tǒng)：150V/-150V；24V 系統(tǒng)：300V/-600V
電磁輻射抗干擾及抗大電流注入干擾（BCI）。頻率從 kHz 級(jí)別到 GHz 級(jí)別，電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá) 200V/m。
靜電放電（ESD）。高達(dá) 25kV。
參考汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)載電子模塊需要面對(duì)的電氣及電磁環(huán)境條件可以概括如圖 8 所示。
圖8 車(chē)載電子模塊需要面對(duì)的電氣及電磁環(huán)境條件
3.3 高可靠性及安全性要求
3.3.1 可靠性要求
通常意義上講的可靠性是指產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)或在一定條件下無(wú)故障地執(zhí)行指定功能的能力，這個(gè)能力可以通過(guò) dppm 值、FIT 值、MTBF 值等數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行度量，進(jìn)而評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性。
通常認(rèn)為一輛車(chē)由幾萬(wàn)個(gè)零部件組成，一個(gè)電子模塊作為一個(gè)零部件來(lái)說(shuō)，通常由數(shù)百至上千個(gè)電子元器件組成。以圖 9 為例，如果一個(gè)器件的故障率為 1dppm，對(duì)于一百萬(wàn)輛車(chē)來(lái)講，就可能會(huì)有 1000 輛車(chē)的電子模塊存在缺陷，而一輛車(chē)上的電子模塊數(shù)量往往在 50 個(gè)以上。
圖9 器件 1dppm 缺陷對(duì)一百萬(wàn)量車(chē)的影響
汽車(chē)行業(yè)中，汽車(chē)制造商（OEM） 對(duì)質(zhì)量問(wèn)題通常用 ppm 來(lái)量化，對(duì) ECU 這種電子零部件，一般要達(dá)到 10ppm 以內(nèi)，也就是百萬(wàn)數(shù)量中只允許 出現(xiàn)幾個(gè)不良品。電子元器件供應(yīng)商則常采用 dppm 來(lái)衡量元器件的不良率， 通?？梢宰龅?1dppm 以內(nèi)。
但對(duì)于車(chē)載電子模塊來(lái)講，由于其應(yīng)用場(chǎng)景及功能的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單采用 dppm 或 FIT 值來(lái)衡量其可靠性是不合適的。對(duì)此，汽車(chē)行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/ T 28046.1—2011（對(duì)應(yīng) ISO 16750-1 ：2006）《道路車(chē)輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第 1 部分：一般規(guī)定》對(duì)被測(cè)設(shè)備（Device Under Test， DUT） 在試驗(yàn)期間及試驗(yàn)后所處的功能狀態(tài)進(jìn)行了清晰地分級(jí)，這個(gè)分級(jí)方法提供一個(gè)很好的參考。
GB/T 28046.1—2011 中的功能狀態(tài)分為 A 、B 、C 、D 、E 共五個(gè)等級(jí)。
A 級(jí)：試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，裝置 / 系統(tǒng)所有功能滿足設(shè)計(jì)要求。
B 級(jí)：試驗(yàn)中裝置 / 系統(tǒng)所有功能滿足設(shè)計(jì)要求，但允許有一個(gè)或多個(gè)超出規(guī)定允差。試驗(yàn)后所有功能應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)到規(guī)定限值。存儲(chǔ)器功能應(yīng)符合 A 級(jí)。
C 級(jí)：試驗(yàn)中裝置 / 系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求，但試驗(yàn)后所有功能能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行。
D 級(jí)：試驗(yàn)中裝置 / 系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求且試驗(yàn)后不能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行，需要對(duì)裝置 / 系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單操作重新激活。
E 級(jí)：試驗(yàn)中裝置 / 系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)功能不滿足設(shè)計(jì)要求且試驗(yàn)后不能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行，需要對(duì)裝置 / 系統(tǒng)進(jìn)行修理或更換。
ISO 16750 的 5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) (1~5) 已全部升級(jí)為 2023 版，即 ISO 16750-1/2/3/4/5:2023，發(fā)布時(shí)間為 2023 年 7 月 , 對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 28046 尚未更新，故本書(shū)仍沿用現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)應(yīng)的 ISO 版本。
對(duì)于車(chē)載電子模塊來(lái)講，不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)應(yīng)的不同功能需要滿足不同的可靠性等級(jí)，這從某種程度上提高了車(chē)載應(yīng)用對(duì)電子模塊可靠性的要求。如車(chē)門(mén)解鎖的可靠性，車(chē)輛在正常非行駛狀態(tài)下，即使偶爾解鎖功能失效一次，乘客再次執(zhí)行操作即可，這個(gè)偏差是可以接受的，也不會(huì)影響使用體驗(yàn)。但如果是在發(fā)生碰撞事故后，車(chē)門(mén)的自動(dòng)解鎖功能出現(xiàn)偏差或失效，那就可能關(guān)乎乘客的生命。
參考 ISO 26262-5 ：2018 《道路車(chē)輛功能安全》（對(duì)應(yīng) GB/T 34590.5— 2022）標(biāo)準(zhǔn)，若某個(gè)電子模塊的某個(gè)功能定義的功能安全等級(jí)為 ASILB，則 其相應(yīng)的硬件失效概率要求為 100 FIT，從某種意義上則可以認(rèn)為其 MTBF 為 107h， 即平均預(yù)期可安全工作時(shí)間為一千萬(wàn) h，約等于 1141.5 年。而對(duì)于轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等功能，功能安全等級(jí)要求則更高，達(dá)到 ASIL D 級(jí)別，為 10 FIT 。ISO 26262-5 ：2018 對(duì)隨機(jī)硬件失效目標(biāo)值的規(guī)定見(jiàn)表 2。
表 2 ISO 26262-5：2018 對(duì)隨機(jī)硬件失效目標(biāo)值的規(guī)定
3.3.2 安全性要求
對(duì)車(chē)載應(yīng)用來(lái)講，電子模塊的可靠性和安全性的側(cè)重點(diǎn)有所不同?？煽啃詡?cè)重于電子模塊可靠地實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能而不發(fā)生故障或失效，而安全性則側(cè)重于在其功能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或功能失效后帶來(lái)的影響。安全性通常又可以分為兩方面：一是財(cái)產(chǎn)安全，二是人身安全。
財(cái)產(chǎn)安全。如自動(dòng)落鎖功能失效導(dǎo)致車(chē)內(nèi)財(cái)物被盜，或者電子模塊防盜性能較差導(dǎo)致車(chē)輛被盜。
人身安全。車(chē)輛涉及人身安全的地方很多，但對(duì)隸屬于電子電氣系統(tǒng)的電子模塊來(lái)講， ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)很好的參考。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的范圍主要是與安全相關(guān)的電子電氣系統(tǒng)（Electrica/Electronic Safety-Related Systems），如娛樂(lè)系統(tǒng)的音樂(lè)播放功能就不在此范圍內(nèi)。
對(duì)于需要考慮人身安全的電子模塊功能，在功能失效后可以采取不同的安全機(jī)制，如 Fail-Safe（故障安全）和 Fail-Operation（故障工作），其目的是 確保電子模塊發(fā)生故障時(shí)，對(duì)駕駛員、乘客和行人所造成的危害風(fēng)險(xiǎn)降低， 并控制在可接受的范圍內(nèi)。
以車(chē)輛的近光燈控制功能為例，如果電子模塊的近光燈控制功能發(fā)生故障，F(xiàn)ail-Safe 的安全機(jī)制可以是強(qiáng)制開(kāi)啟近光燈功能（無(wú)論當(dāng)前近光燈功能是否開(kāi)啟）；而 Fail-Operation 的安全機(jī)制則可以是依據(jù)駕駛員的操作決定是 否開(kāi)啟或關(guān)閉近光燈。相較于電子模塊的正常工作狀態(tài)，其差異在于 Fail- Operation 是電子模塊的故障監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到電子模塊故障后，將控制功能交給冗余控制電路。
電子模塊設(shè)計(jì)中常用的 Limphome（跛行回家）功能就是一種冗余設(shè)計(jì)。如圖10 所示，Limphome 電路在電子模塊正常工作時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到電子模塊故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定時(shí)間（如 128ms），監(jiān)測(cè)電路便會(huì)輸出一個(gè) Limphome 信號(hào)，Limphome 功能便會(huì)被激活，電子模塊進(jìn)入 Limphome 模式，Limphome 電路將立即接管設(shè)定的控制功能。隨后如果電子模塊故障解除，Limphome 信號(hào)便會(huì)無(wú)效，Limphome 電路也即自動(dòng)關(guān)閉，控制權(quán)將被重新交給電子模塊。
圖10 一種 Limphome 電路設(shè)計(jì)
3.4 長(zhǎng)壽命要求
汽車(chē)作為一種特殊的工業(yè)消費(fèi)品，其同時(shí)具有大宗消費(fèi)品及耐用品的雙重屬性。大宗消費(fèi)品意味著消費(fèi)者的消費(fèi)頻次很低，耐用品意味著消費(fèi)者對(duì)其使用壽命要求很高。通常來(lái)講，車(chē)輛的設(shè)計(jì)壽命為 10~15 年，行駛里程為 20 萬(wàn) ~30 萬(wàn) km，乘用車(chē)的質(zhì)保通常是 3 年或 6 萬(wàn) km。而實(shí)際上一輛現(xiàn)代轎車(chē)的使用壽命很容易達(dá)到 15 年以上，行駛里程可達(dá) 100 萬(wàn) km 以上。
對(duì)于車(chē)輛設(shè)計(jì)來(lái)講，除易損件外，其他零部件必須做到整車(chē)等生命周期，這其中就包括所有的車(chē)載電子模塊。除車(chē)輛使用壽命和行駛里程外，車(chē)輛生命周期還有其他一些維度數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。
表3 車(chē)輛生命周期維度數(shù)據(jù)對(duì)比
長(zhǎng)生命周期將帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是電子模塊的壽命問(wèn)題，一個(gè)是電子模塊的長(zhǎng)期供貨問(wèn)題。
3.4.1 電子模塊的壽命
對(duì)一輛具體的車(chē)來(lái)講，長(zhǎng)生命周期意味著電子模塊的壽命必須足夠長(zhǎng)，即在其壽命內(nèi)必須可靠工作，且性能不發(fā)生劣化，這就意味著：
電子模塊采用的電子元器件壽命必須滿足要求，不能在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)參數(shù)及性能劣化。
電子模塊設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮元器件壽命老化帶來(lái)的參數(shù)變化影響，保證電子模塊在其壽命內(nèi)必須可靠工作。
電子模塊的 DV 測(cè)試必須包含長(zhǎng)時(shí)間的壽命加速試驗(yàn)，如 1000h 以上的高溫老化試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
以電子模塊設(shè)計(jì)中最常用的電阻器為例，電阻器是電路設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的一種電子元器件，電阻器按參數(shù)可以簡(jiǎn)單分為四個(gè)維度，即阻值、精度、功率及封裝。在汽車(chē)電子模塊設(shè)計(jì)時(shí)，電路計(jì)算通常不會(huì)按照電阻器的標(biāo)稱精度進(jìn)行計(jì)算，如 5% 精度的電阻器，通常按照 8% 精度進(jìn)行計(jì)算，這就是考慮了溫度及壽命老化對(duì)標(biāo)稱精度的影響。
3.4.2 電子模塊的長(zhǎng)期供貨
對(duì)一個(gè)車(chē)型來(lái)講，持續(xù)生產(chǎn)時(shí)間一般為 5~8 年，有時(shí)可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。而對(duì)電子模塊來(lái)講，OEM 為降低成本，經(jīng)常將同一電子模塊用于不同的車(chē)型， 所以電子模塊的供貨時(shí)間通常遠(yuǎn)長(zhǎng)于一個(gè)車(chē)型的生命周期，這就意味著：
電子模塊采用的所有型號(hào)的電子元器件，其生命周期要足夠的長(zhǎng)，不能 3 年或 5 年就停產(chǎn)，導(dǎo)致需要重新選型或切換供應(yīng)商。所以元器件的長(zhǎng)生命周期是保證供貨連續(xù)性的基礎(chǔ)，汽車(chē)電子元器件的持續(xù)供貨時(shí)間通常需要超過(guò) 15 年，甚至 20 年以上。
在漫長(zhǎng)的車(chē)型生命周期內(nèi)，零部件及車(chē)型的變更管理將變得極其重要。在此期間，不管是車(chē)型還是電子模塊都會(huì)面臨一系列的變更問(wèn)題，同時(shí)由于汽車(chē)行業(yè)供應(yīng)鏈極長(zhǎng)且復(fù)雜，中間會(huì)涉及多級(jí)供應(yīng)商的變更，包括原材料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)場(chǎng)地等，進(jìn)而帶來(lái)產(chǎn)品重新測(cè)試驗(yàn)證及車(chē)輛的測(cè)試驗(yàn)證工作。
先解釋幾個(gè)汽車(chē)行業(yè)內(nèi)的專業(yè)名詞：
PCN ：Product/Process Change Noti?cation，產(chǎn)品 / 工藝變更通知。
PCR ：Product/Process Change Request，產(chǎn)品 / 工藝變更請(qǐng)求。
SCR ：Supplier Change Request ，供應(yīng)商變更請(qǐng)求。
以電子模塊為例，如果用到的一個(gè)芯片的生產(chǎn)工藝發(fā)生了變更（實(shí)際上對(duì)電子元器件來(lái)講這是經(jīng)常發(fā)生的事情），芯片供應(yīng)商會(huì)發(fā) PCN 給電子模塊供應(yīng)商，對(duì)電子模塊供應(yīng)商來(lái)講，這是一個(gè) SCR。電子模塊供應(yīng)商在評(píng)估后會(huì)將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的PCR，即電子模塊的變更，并通知汽車(chē)制造商（OEM）。OEM 在收到 SCR 后也會(huì)進(jìn)行評(píng)估，并安排對(duì)新型號(hào)的電子模塊進(jìn)行測(cè)試驗(yàn) 證，驗(yàn)證通過(guò)后才能切換新型號(hào)的電子模塊。
汽車(chē)對(duì)高可靠性的要求疊加車(chē)型的長(zhǎng)生命周期，必然帶來(lái)汽車(chē)行業(yè)對(duì)零部件長(zhǎng)期供貨的穩(wěn)定性、可靠性及一致性的要求，這就可以解釋為什么汽車(chē)行業(yè)對(duì)變更管理如此重視，以及對(duì)變更流程的管控如此嚴(yán)格。
3.5 低成本要求
消費(fèi)者在做購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)的決策時(shí)，成本是一個(gè)重要的考慮因素。而對(duì) OEM 來(lái)講，一輛車(chē)由上萬(wàn)個(gè)零部件組成，OEM 需要對(duì)幾百家供應(yīng)商進(jìn)行成本管控，具體到每個(gè)汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)，成本就變得尤為重要。
一個(gè)電子模塊通常由數(shù)百到上千個(gè)電子元器件及其他結(jié)構(gòu)件組成，這就意味著電子模塊制造商需要：
在電子模塊項(xiàng)目報(bào)價(jià)階段，可以根據(jù)客戶需求準(zhǔn)確預(yù)估未來(lái)量產(chǎn)的產(chǎn)品價(jià)格。
在設(shè)計(jì)階段能夠精確控制產(chǎn)品的物料成本、設(shè)計(jì)成本及測(cè)試成本。
在量產(chǎn)后能夠很好地控制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
電子模塊產(chǎn)品通常在設(shè)計(jì)前期就必須考慮系統(tǒng)方案的成本，設(shè)計(jì)階段還需要經(jīng)過(guò)幾輪成本導(dǎo)向設(shè)計(jì)（ Design To Cost ，DTC）迭代，并且在電子模塊生命周期內(nèi)還要經(jīng)歷多輪成本優(yōu)化，其中很重要的一個(gè)方法就是通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行技術(shù)成本優(yōu)化（Cost Technical Optimization ，CTO），如進(jìn)行低成本元器件替代，切換元器件供應(yīng)商，采用新材料、新生產(chǎn)工藝等。
3.6 生產(chǎn)制造可行性要求
汽車(chē)作為大批量生產(chǎn)的工業(yè)消費(fèi)品，暢銷(xiāo)車(chē)型年產(chǎn)量超過(guò)十萬(wàn)輛、車(chē)型生命周期內(nèi)超過(guò)百萬(wàn)輛是很常見(jiàn)的。而作為零部件的電子模塊，因?yàn)榇嬖谳^多不同車(chē)型共用的情況，電子模塊的產(chǎn)量實(shí)際上會(huì)更大，這就要求電子模塊在設(shè)計(jì)前期必須考慮大批量生產(chǎn)制造的可行性，汽車(chē)行業(yè)通常將之稱為可制造性設(shè)計(jì)（Design for Manufacturability ，DFM ）。
以電子模塊設(shè)計(jì)為例， DFM 通常需要考慮：
結(jié)構(gòu)件是否便于生產(chǎn)裝配。
是否有相應(yīng)的工裝、夾具或設(shè)備。
是否有特殊工裝或工藝要求。
結(jié)構(gòu)件、連接器是否有防呆設(shè)計(jì)（如防裝反等）。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)一致性問(wèn)題。
殼體卡扣設(shè)計(jì)在裝配時(shí)是否有聽(tīng)見(jiàn)“咔嗒”聲。
產(chǎn)品下線檢測(cè)程序是否可覆蓋產(chǎn)品的全部功能。
3.7 批量一致性要求
電子模塊在大批量且長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品的批量一致性顯得尤為重要。批量一致性主要取決于兩方面：一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，二是產(chǎn)品生產(chǎn)方面。電子模塊在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮大批量生產(chǎn)時(shí)的一致性問(wèn)題，這個(gè)主要通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝共同來(lái)保證。而在產(chǎn)品量產(chǎn)后，由于產(chǎn)品的頻繁變更帶來(lái)的一致性問(wèn)題則更為復(fù)雜和棘手，為此汽車(chē)電子行業(yè)針對(duì)產(chǎn)品變更制定了極為復(fù)雜、詳細(xì)且嚴(yán)格的變更流程及變更規(guī)則。
對(duì)電子模塊一致性產(chǎn)生影響的變更主要有以下幾個(gè)方面：
因電子元器件變更（材料、工藝、場(chǎng)地遷移等）引起的變更。
電子模塊本身設(shè)計(jì)缺陷引起的變更。
采用新生產(chǎn)工藝引起的變更。
客戶新需求引起的變更。
為滿足新應(yīng)用的變更。
電子模塊制造商為保證變更前后產(chǎn)品的一致性，需要在變更前充分評(píng)估變更帶來(lái)的影響，并在變更后進(jìn)行充分的產(chǎn)品級(jí)測(cè)試及整車(chē)級(jí)測(cè)試。產(chǎn)品級(jí)測(cè)試通常包括功能測(cè)試及性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目依據(jù)變更內(nèi)容不同差異較大。若變更影響較大，在完成功能測(cè)試之外，還需要進(jìn)行多項(xiàng)性能測(cè)試，如高溫運(yùn)行、低溫運(yùn)行、耐久測(cè)試、電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility， EMC） 測(cè)試等。為降低變更成本，通常在產(chǎn)品級(jí)測(cè)試完成后進(jìn)行整車(chē)級(jí)測(cè)試。整車(chē)級(jí)測(cè)試的側(cè)重點(diǎn)主要在功能測(cè)試方面，如無(wú)必要，一般不會(huì)進(jìn)行整車(chē)級(jí)性能測(cè)試及實(shí)車(chē)道路測(cè)試。
04 電子模塊車(chē)載應(yīng)用條件
4.1 滿足車(chē)載應(yīng)用的條件
整體來(lái)看，一個(gè)電子模塊需要同時(shí)滿足以下幾點(diǎn)，才可被認(rèn)為滿足了基本的車(chē)載應(yīng)用的要求：
采用了汽車(chē)電子行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。
采用的電子元器件滿足 AEC 標(biāo)準(zhǔn)。
電子模塊的功能及性能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
電子模塊的功能及性能滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。
以汽車(chē)電子 V 模型開(kāi)發(fā)流程為例，典型的 V 模型開(kāi)發(fā)流程如圖11 所示。
圖11 典型的汽車(chē)電子 V 模型開(kāi)發(fā)流程
V 模型的最重要特點(diǎn)就是每個(gè)開(kāi)發(fā)階段都對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試階段，V 模型左側(cè)為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，右側(cè)即為驗(yàn)證確認(rèn)。另外，V 模型是一個(gè)高度嚴(yán)格的模型，下一階段必須在上一階段完成后才能開(kāi)始，且每個(gè)階段都有特定的可交付成果和審查過(guò)程，交付成果包括設(shè)計(jì)文檔及測(cè)試驗(yàn)證文檔。
4.2 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系及流程
汽車(chē)電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系、流程及工具如圖12 所示。
圖12 汽車(chē)電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系、流程及工具
汽車(chē)行業(yè)在近百年的發(fā)展過(guò)程中，出于對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試、質(zhì)量及管理體系標(biāo)準(zhǔn)化的需求，逐漸形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系及設(shè)計(jì)制造流程，同時(shí)也采用了很多質(zhì)量工具，以此來(lái)規(guī)范和指導(dǎo)汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)、制造及車(chē)載應(yīng)用。汽車(chē)電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、體系及流程眾多，如針對(duì)電子元器件的 AEC 標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)電子零部件的 ISO 16750 標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)行業(yè)質(zhì)量管理體系的 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)（2016 年發(fā)布，替代原 TS 16949 標(biāo)準(zhǔn)），針對(duì)質(zhì)量的 APQP （Advanced Product Quality Planning） 工具及 PPAP 流程等。
4.3 設(shè)計(jì)的重要性
汽車(chē)行業(yè)的各種標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似于社會(huì)的法律，如果一個(gè)人遵紀(jì)守法，不能說(shuō)他是一個(gè)好人，但他一定不是壞人，因?yàn)榉墒菍?duì)人們行為底線的要求。同理，對(duì)于汽車(chē)電子模塊來(lái)講，滿足各種汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是車(chē)載應(yīng)用的最基本要求，在此基礎(chǔ)上，決定電子模塊質(zhì)量和可靠性的，是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析、測(cè)試驗(yàn)證及變更管理，其本質(zhì)是電子模塊制造商的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，也就是通常說(shuō)所的 Know-How（訣竅、技巧、專有 知識(shí)），如產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析方法、各種檢查清單（Checklist）、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 （Design Guideline）、測(cè)試用例（Test Case）、生產(chǎn)制造工藝、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)（Lessons Learned）等。
如圖13 所示，以汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的最差情況電路分析（WCCA） 為例， WCCA 需要覆蓋電路設(shè)計(jì)中的每一個(gè)電路、每一個(gè)電子元器件。WCCA 通常考慮兩重情況的疊加，也就是說(shuō)在考慮最高電壓時(shí)，需要同時(shí)考慮最高溫度，但不需要再考慮最高負(fù)載情況，這就是雙重疊加。不同的溫度和電壓就會(huì)產(chǎn)生六種組合，也就是常說(shuō)的三溫三壓。三溫是指三種溫度：-40℃, +25 ℃, +85 ℃;三壓是指 9V 、13.5V 和 16V（以乘用車(chē) 12V 系統(tǒng)、安裝位置在座艙為例）。
圖13 汽車(chē)電子設(shè)計(jì)常用的分析方法
WCCA 有一個(gè)測(cè)試無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)就是它可以根據(jù)元器件手冊(cè)中的參數(shù)及設(shè)定的工作條件進(jìn)行計(jì)算，而測(cè)試時(shí)使用的實(shí)際樣品卻無(wú)法覆蓋所有的參數(shù)范圍，畢竟測(cè)試的樣品數(shù)量及試驗(yàn)室設(shè)備的測(cè)試范圍終歸是有限的，且有些工作條件無(wú)法或者很難模擬，而 WCCA 卻可以通過(guò)一定的算法計(jì)算出來(lái)。這就意味著 WCCA 可以覆蓋所有的元器件參數(shù)范圍及產(chǎn)品的工作條件，而測(cè)試僅可以覆蓋有限的情況；也就是說(shuō)，WCCA 可以通過(guò)計(jì)算來(lái)分析電子元器件的性能，而最終的測(cè)試僅僅是一個(gè)確認(rèn)、 一個(gè)結(jié)果。
總的來(lái)講，一個(gè)好的產(chǎn)品首先是設(shè)計(jì)出來(lái)的，測(cè)試僅僅是一種驗(yàn)證手段，其次才是生產(chǎn)，最后才是應(yīng)用。設(shè)計(jì)得好，才能生產(chǎn)得好，然后才能用得好。如圖 14 所示，通過(guò)設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)元器件 / 電路的特性或者是缺陷，積累測(cè)試數(shù)據(jù)；通過(guò)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用則可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用中的問(wèn)題，積累應(yīng)用數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行更新迭代，由第 1 代產(chǎn)品更新為第 2 代產(chǎn)品。長(zhǎng)期不斷的迭代后，通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)就可以積累大量的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，最后便會(huì)形成對(duì)這個(gè)產(chǎn)品的專有知識(shí)，也就是常說(shuō)的 Know-How。
圖14 設(shè)計(jì)的迭代及專有知識(shí)的積累
05 小結(jié)
本章從電子模塊的基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)入手，介紹了電子模塊的基本設(shè)計(jì)原理，以及車(chē)載應(yīng)用對(duì)電子模塊的嚴(yán)苛要求，包括外部環(huán)境、電氣及電磁環(huán)境、可靠性及安全性要求、壽命要求、成本要求、生產(chǎn)要求等；隨后闡述了汽車(chē)電子行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、體系及流程，給出了電子模塊滿足車(chē)載應(yīng)用的條件；最后強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)對(duì)電子模塊的重要性。
限于本章篇幅，環(huán)境要求部分并未展開(kāi)。實(shí)際上，了解車(chē)載應(yīng)用的環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)至關(guān)重要，環(huán)境條件是真實(shí)的物理世界，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是人們對(duì)物理世界認(rèn)知的總結(jié)和標(biāo)準(zhǔn)化，以此來(lái)規(guī)范和約束產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
本文摘編自《廣義車(chē)規(guī)級(jí)電子元器件可靠性設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)踐》，機(jī)械工業(yè)出版社出版
評(píng)論