要點(diǎn)：

開發(fā)汽車電路的基本要求

最大限度減少汽車電路中射頻干擾的設(shè)計(jì)技巧

汽車電路運(yùn)行的制造和可靠性技巧

如今，汽車變得越來越數(shù)字化，從安全氣囊傳感器到倒車攝像頭和車道輔助等安全和便利功能，應(yīng)有盡有。我們目前正處于“汽車復(fù)興”時(shí)期，所有這些新的電子技術(shù)都融入了我們的車輛中

然而，在整合如此多的電子功能時(shí)，總是存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)，這使得汽車電路設(shè)計(jì)變得更加關(guān)鍵。基于元件容差、溫度變化和其他參數(shù)的電子電路功能和可靠性仿真變得越來越重要。通過仿真執(zhí)行先進(jìn)的良率和可靠性分析可能意味著汽車電路設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)故障和成功推出之間的差異。

01

汽車電路設(shè)計(jì)要求

新開發(fā)的車輛中通常有數(shù)百個(gè)電子控制單元(ECU)。各種 ECU 示例包括安全氣囊、全輪驅(qū)動(dòng)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、娛樂系統(tǒng)、攝像頭、激光雷達(dá)和其他傳感器。

大量的電子產(chǎn)品給開發(fā)帶來了一系列挑戰(zhàn)，從通信問題到配電困難。以下精選了汽車電路設(shè)計(jì)中遇到的常見問題：

布線連接問題需要使用“線控驅(qū)動(dòng)”，其中機(jī)械連接被傳感器和執(zhí)行器的布置所取代。

配電和混合驅(qū)動(dòng)器允許更小型化的高密度電力電子設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)建模，包括硬件架構(gòu)、軟件要求和功能要求

由于需要數(shù)字控制環(huán)路的大量模擬傳感器（氧氣、輪胎壓力等），因此需要進(jìn)行混合信號(hào)模擬。

虛擬原型，在構(gòu)建之前測(cè)試硬件和軟件兼容性。

軟件驗(yàn)證可確保完整的系統(tǒng)功能并降低構(gòu)建硬件的成本，從而解決出現(xiàn)的任何問題。

在設(shè)計(jì)汽車電路時(shí)，有必要考慮您在其他地方可能不會(huì)遇到的多種綜合因素。具體來說，汽車電子產(chǎn)品既受到成本和重量的影響，但必須能夠承受惡劣的環(huán)境，保持相對(duì)較低的層數(shù)，并最大限度地提高可靠性，預(yù)期壽命長(zhǎng)達(dá) 10 年以上。

重要的是，您的 PCB 制造商有能力生產(chǎn)特別小的電路板，因?yàn)榇蠖鄶?shù)使用 PCB 的車輛空間有限。盡管尺寸很小，但電路板必須經(jīng)過編程才能處理數(shù)字顯示的所有內(nèi)容。

02

汽車混合信號(hào)PCB布局策略

由于傳感器數(shù)量眾多，您必須小心混合信號(hào)路由。在返回路徑中遵循良好的混合信號(hào)實(shí)踐，例如隔離模擬和數(shù)字組件以及在單獨(dú)的導(dǎo)體上路由返回路徑。此外，使信號(hào)環(huán)路面積盡可能小，并避免將電路放置在連接器之間。確保您的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間得到控制，并且實(shí)心返回平面中沒有間隙。

03

汽車電路標(biāo)準(zhǔn)

汽車電路有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代，為了確保質(zhì)量管理體系而建立了QS9000。進(jìn)入21世紀(jì)，世界汽車制造商創(chuàng)建了新的質(zhì)量管理體系，定義為ISO/TS16949。該標(biāo)準(zhǔn)整合了汽車行業(yè)的要求，涵蓋汽車供應(yīng)鏈內(nèi)的缺陷預(yù)防、質(zhì)量波動(dòng)和減少浪費(fèi)。許多PCB制造商在進(jìn)入汽車市場(chǎng)生產(chǎn)之前必須獲得ISO/TS16949證書。

04

射頻干擾電路設(shè)計(jì)

汽車電路板對(duì)RFI 特別敏感，需要采取多重預(yù)防措施才能順利運(yùn)行

在汽車電路設(shè)計(jì)中，意識(shí)到電磁干擾(EMI)，也稱為射頻干擾(RFI) 尤為重要。車輛的多個(gè)部件都容易受到 RFI 的影響，甚至包括保險(xiǎn)杠或面板等非金屬車身部件。因此，采取措施保證電子元件的順利運(yùn)行至關(guān)重要。正確的屏蔽和接地將有助于降低不必要的 EMI 和意外天線的風(fēng)險(xiǎn)。

05

汽車通訊

汽車高速通信總線（控制器局域網(wǎng)或 CAN 總線）可在惡劣的電磁環(huán)境中運(yùn)行，使其成為車輛設(shè)計(jì)的有用部分。無論使用哪種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都必須采取措施限制車載 ECU 的 RFI 暴露，以確保車輛安全運(yùn)行和功能。

串?dāng)_也是汽車電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題。當(dāng)一根線路的能量耦合到汽車中的通信總線時(shí)，可能會(huì)發(fā)生串?dāng)_，從而降低汽車網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性。捆綁電纜以及線束中有多對(duì)電纜可能會(huì)導(dǎo)致汽車通信網(wǎng)絡(luò)中的串?dāng)_干擾。雙絞線電纜是限制其中一些影響的良好解決方案。此外，與其他汽車通信協(xié)議相比，汽車以太網(wǎng)具有強(qiáng)大的抗串?dāng)_能力、信號(hào)完整性和更好的性能。

06

CAN總線布局

由于速度相對(duì)較低（按照當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)），CAN 總線的布局不像其他需要 Gb/s 傳輸速率的協(xié)議那樣密集。盡管如此，將快速下降/上升的信號(hào)和其他開關(guān)節(jié)點(diǎn)放置在與數(shù)據(jù)線保持安全距離的位置以避免電感耦合仍然很重要。在異步層次結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)度匹配并不是太大的問題，但短且直接的節(jié)點(diǎn)的性能總是會(huì)更好。

07

汽車PCB的制造特點(diǎn)

車輛中有數(shù)百個(gè)汽車電路，其中許多電路體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠承受相對(duì)惡劣的條件

汽車防碰撞和預(yù)測(cè)性緊急制動(dòng)需要 PCB 與微波高頻信號(hào)進(jìn)行通信。因此，建議使用具有低介電損耗的基板材料，例如 PTFE（聚四氟乙烯）。這些基板需要獨(dú)特的制造能力，例如特殊的通孔鉆孔。

由于電子和電力的高密度，汽車會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。隨著越來越多的混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的開發(fā)，需要先進(jìn)的電力傳輸系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高了散熱和大電流能力的必要性。因此，應(yīng)增加多層 PCB 中銅引線和金屬的厚度。

汽車現(xiàn)在擁有智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、娛樂系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的許多功能，因此也需要高密度互連(HDI)。電鍍技術(shù)、微孔鉆孔和互連技術(shù)需要應(yīng)用于您的印刷汽車電路。

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汽車電路基板

陶瓷 PCB 的高導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)使其在汽車（和航空航天）應(yīng)用中特別有用。這是因?yàn)榛?FR-4 的標(biāo)準(zhǔn) PCB 在高溫和高壓等極端條件下通常會(huì)出現(xiàn)缺陷。另一方面，除了高振動(dòng)或腐蝕性環(huán)境外，陶瓷電路板在這些條件下表現(xiàn)更好。陶瓷還特別適用于高功率密度電路設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在汽車電路中的潛在用途。

柔性電路板及其變體剛撓結(jié)合板通常用于汽車行業(yè)。這是因?yàn)槠囶I(lǐng)域的電路經(jīng)常經(jīng)歷大量振動(dòng)。具體來說，材料疊層中的“超柔性”HA 銅。這些電路可以經(jīng)歷反復(fù)振動(dòng)而不會(huì)損壞。

09

可靠性測(cè)試

進(jìn)行多次可靠性測(cè)試對(duì)于減少汽車現(xiàn)場(chǎng)故障至關(guān)重要

在開發(fā)汽車電路時(shí)，可靠性測(cè)試對(duì)于成功至關(guān)重要。PCB 必須運(yùn)行的環(huán)境是可變的，因此需要進(jìn)行多項(xiàng)可靠性測(cè)試。

? 汽車PCB 需要進(jìn)行熱沖擊測(cè)試才能獲得更高的耐熱性。將 PCB 浸入溫度為 260°C 的焊膏中 10 秒 3 次。然后，檢查 PCB 以確保不存在層壓?jiǎn)栴}、凸塊或裂紋。

? 由于PCB 必須在極其多雨和潮濕的環(huán)境中工作，因此需要進(jìn)行溫濕度偏差(THB) 測(cè)試，其中“PCB 導(dǎo)電陽極絲(CAF) 遷移率”是其中的一個(gè)重要方面。這是在相鄰?fù)字g、通孔和導(dǎo)線之間以及相鄰導(dǎo)線之間完成的。

? 必須進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試(TCT)。車輛的不同部件（底盤下方、發(fā)動(dòng)機(jī)下方、變速箱部件以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部）都有各自的極限溫度，該區(qū)域的電路板必須承受這些極限溫度。

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利用印刷電路板工具進(jìn)行汽車電路設(shè)計(jì)

PSpice 可以協(xié)助多個(gè)驗(yàn)證和可靠性步驟，確保改進(jìn)的性能和高質(zhì)量的ECU 交付

PSpice 為所有 ECU 相關(guān)仿真提供了單一工具。仿真軟件可以幫助設(shè)計(jì)人員在性能問題出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)它們，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并在設(shè)計(jì)過程的早期識(shí)別集成問題。

借助 PSpice，您將能夠利用仿真功能在任何所需的抽象級(jí)別評(píng)估汽車 ECU 設(shè)計(jì)模塊，從而避免后期設(shè)計(jì)變更。除了軟件控制功能之外，您還可以通過將線控驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與混合信號(hào)控制環(huán)相結(jié)合來執(zhí)行完整的系統(tǒng)級(jí)分析。

借助PSpice電路模擬器的強(qiáng)大功能，您將能夠最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期、提高性能、自動(dòng)執(zhí)行設(shè)計(jì)任務(wù)、執(zhí)行高級(jí)分析，并提供符合汽車行業(yè)質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)的ECU。

結(jié)論

Cadence提供了一系列對(duì)成功的汽車電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要的工具。例如，敏感度分析工具可以幫助您確定哪些組件需要更嚴(yán)格的公差。使用煙霧分析功能可以告訴您哪些元件因功率損耗、結(jié)點(diǎn)溫度變化或過電壓可能發(fā)生的其他故障而受到壓力。所有這些功能最終有助于確保更可靠的電路。