作者：John Isaac，明導(dǎo)電子 市場(chǎng)開發(fā)部總監(jiān)

　　汽車電子其實(shí)并非與其它復(fù)雜電子產(chǎn)品完全不同：多個(gè)中央處理器、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，以及極為復(fù)雜的PCB。汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)壓力與其它類型的電子產(chǎn)品相似：設(shè)計(jì)時(shí)間短，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。那么汽車電子與例如一些高端娛樂產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)別？天壤之別！如果PCB在娛樂產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車電子部件的可靠性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的一個(gè)主要方面。

　　時(shí)間和費(fèi)用壓力

　　與承受著設(shè)計(jì)時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用壓力的所有產(chǎn)品一樣，汽車部件也不例外。一項(xiàng)開發(fā)實(shí)踐能給電子產(chǎn)品公司滿足這些基本商業(yè)目標(biāo)提供很大幫助，它是使用虛擬樣機(jī)來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并且無需費(fèi)用和時(shí)間來建立多種物理樣機(jī)，測(cè)試這些模型以及根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出遞增修改。另外，影響產(chǎn)品可靠性的許多因素需要經(jīng)過數(shù)周、數(shù)月或者數(shù)年的物理破壞才能發(fā)現(xiàn)。因此這些情況下的物理樣機(jī)不是可行的方式。即使在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，你也不可能精準(zhǔn)無誤地復(fù)制數(shù)年的物理振蕩、熱環(huán)境、震動(dòng)和溫度循環(huán)破壞。

　　仿真是關(guān)鍵

　　仿真，或者說虛擬樣機(jī)，已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)過程中越來越重要的步驟。正如前文所述，仿真不僅節(jié)省開發(fā)過程中的時(shí)間和費(fèi)用，還能仿真出汽車苛刻環(huán)境中更長期的濫用效應(yīng)。正如明導(dǎo)電子的Expedition Enterprise一樣，一個(gè)復(fù)雜的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案含有多種形式的虛擬樣機(jī)功能，包括：

　　●模擬和數(shù)字信號(hào)完整性分析

　　●電磁干擾

　　●熱管理

　　●電源完整性

　　●振蕩和震動(dòng)

　　●制造設(shè)計(jì)

　　利用了所有這些功能的一個(gè)慣例是：一位優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員將在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中使用所有功能，而非等到最后（圖1）。直至過程結(jié)束時(shí)才開始結(jié)合這些仿真結(jié)果來重新設(shè)計(jì)，浪費(fèi)時(shí)間和精力并且容易妥協(xié)。將好的虛擬樣機(jī)整合進(jìn)行設(shè)計(jì)過程會(huì)引起過度設(shè)計(jì)（即采用極為保守的設(shè)計(jì)方法），但通常這樣的結(jié)果是增加產(chǎn)品成本以及損耗性能，同時(shí)還不能保證持續(xù)的可靠性。讓我們來看看產(chǎn)品開發(fā)過程中三例好的虛擬樣機(jī)做法。

　　圖1：虛擬原型應(yīng)當(dāng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都加以使用，從而減少循環(huán)時(shí)間和費(fèi)用，以及制造出一種可靠的產(chǎn)品。

　　熱控制

　　影響可靠性的最關(guān)鍵的一點(diǎn)（這里是就性能而言）是熱。集成電路（IC）過熱會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)問題，汽車環(huán)境也會(huì)變得非常無情。例如，過熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙里的部件，或開車經(jīng)過從密歇根州冬季直至亞利桑那州夏季這樣的氣候。從IC封裝開始，貫穿PCB，直至運(yùn)行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應(yīng)能控制熱度。因此我們需要在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段一直采用虛擬樣機(jī)功能，以確保我們有一個(gè)熱可靠的產(chǎn)品。

　　首先IC供應(yīng)商通常分析元件包裝并提供熱特性模型。接著我們希望隨著設(shè)計(jì)展開對(duì)單機(jī)PCB進(jìn)行分析。PCB設(shè)計(jì)人員通常需要其工作部件布局的分析，進(jìn)而確定是否他們制造出了一塊很難被冷卻的板子。而且此工作不只是粗略的考慮到板子帶有的器件熱耗散和位置分布。由于散熱路徑很多（散熱器、電路板內(nèi)層銅、傳遞、傳導(dǎo)和發(fā)散……），從PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳到熱分析的數(shù)據(jù)必須是完整的。分析軟件的設(shè)置和執(zhí)行也必須相當(dāng)直觀，因?yàn)槟阆Ｍ褂迷撥浖腜CB設(shè)計(jì)人員不必要是個(gè)熱學(xué)專家，并且不會(huì)延誤設(shè)計(jì)過程。

　　但是最終的虛擬樣機(jī)必須在能預(yù)期的汽車環(huán)境下對(duì)最終產(chǎn)品外殼里的單個(gè)或多個(gè)PCB工況下執(zhí)行。這種分析常見于典型的機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（MCAD）系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品有完整物理定義的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，完整定義包括外殼、安裝方法、散熱器和熱軌，及 PCB等。PCB設(shè)計(jì)人員必須將PCB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)械設(shè)計(jì)人員，讓他們嵌入外殼。MCAD系統(tǒng)對(duì)元件及其引線等，以及完整產(chǎn)品的所有成分需要擁有完整的3D物理定義和熱特性。機(jī)械設(shè)計(jì)人員接著使用明導(dǎo)的FloTHERM這類軟件，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)并結(jié)合對(duì)流、輻射和熱傳導(dǎo)分析，來確定IC是否超出臨界溫度，以及是否可能引起可靠性或性能問題。

　　FloTHERM如今已經(jīng)擴(kuò)展到不僅能確定IC結(jié)溫溫度，還能給設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)可能引起問題的原因以及如何解決問題。該軟件可找出“熱瓶頸”來顯示熱流路徑哪部分被限制。設(shè)計(jì)人員利用這一信息能找出可替代的元件安裝技術(shù)，以及PCB至外殼的更好熱傳導(dǎo)路徑等，從而緩解瓶頸。

　　另一個(gè)有價(jià)值的做法是確定“熱捷徑”，其能指出可加快散熱的潛在可能性設(shè)計(jì)方案。圖2的例子顯示了高熱IC的原始問題以及解決問題的捷徑確定。這種情況下在IC和外殼之間增加填充墊，能形成更直接的環(huán)境熱傳遞路徑。這個(gè)簡(jiǎn)單的變化能使IC溫度降低74%。

　　圖2：確定熱捷徑能引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。

　　在PCB設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用復(fù)雜熱分析能帶來更好的熱管理和可靠性，且無需建立和測(cè)試多種物理樣機(jī)。這節(jié)約了大量時(shí)間和費(fèi)用。另外，有了與設(shè)計(jì)系統(tǒng)緊密整合的方便易用的軟件，設(shè)計(jì)人員能快速利用多種“假設(shè)”場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獲得性能更好的解決方案。

　　高加速壽命測(cè)試

　　車輛出現(xiàn)可靠性問題的另一原因是PCB的持續(xù)振動(dòng)及隨后出現(xiàn)的組件引線和附件故障。一般可通過構(gòu)建樣機(jī)并將它們放置在加速室，使PCB發(fā)生振動(dòng)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，以檢測(cè)是否出現(xiàn)故障。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，這種方法需要構(gòu)建多個(gè)樣機(jī)，并且通常需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間才能完成在加速室對(duì)汽車零部件預(yù)期壽命的模擬。這是一項(xiàng)非常耗時(shí)且費(fèi)用極高的過程，因此可靠性增強(qiáng)測(cè)試可能并不完整和全面。

　　目前有軟件可以在虛擬樣機(jī)模式下開展同樣的測(cè)試。設(shè)計(jì)人員可利用這種軟件對(duì)PCB進(jìn)行界定并輕松開展損耗仿真實(shí)驗(yàn)。該軟件可在幾小時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜的分析，并指出可能出現(xiàn)的故障（圖3）。可對(duì)這些故障進(jìn)行校正，并在新的設(shè)計(jì)版本中重新開展模擬。這種反復(fù)的過程可迅速獲得合適的可靠性解決方案。以色列國防部早期成功將該軟件部署在他們的新一代戰(zhàn)車上。如果該軟件可以在戰(zhàn)車的極端環(huán)境下都對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，那么我將信賴其應(yīng)用在我的汽車上。

　　圖3：明導(dǎo)的H.A.L.T. 軟件可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成振蕩、震動(dòng)和溫度循環(huán)故障分析，而在測(cè)試室內(nèi)則需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間。

　　電源完整性分析保證高可靠性

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源完整性是一項(xiàng)越來越復(fù)雜的問題。幾年前，所有的IC都是在5伏的電壓下工作，您只需要一個(gè)5V電源和接地層即可為零部件提供充足穩(wěn)定的電源。而如今，IC可在多個(gè)電壓模式下工作，電壓可低至0.9伏。因此，單個(gè)印刷電路板需要多個(gè)復(fù)雜的配電網(wǎng)來提供這些電壓和地線。為節(jié)省成本，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人員不得不將這些多個(gè)配電網(wǎng)（PDN）放入盡可能少的接地層中。結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)像圖4一樣的配電網(wǎng)，內(nèi)部空間非常狹窄（頸部起伏），但又需要為 IC提供高電平電流。

　　圖4：明導(dǎo)的HyperLynx電源完整性分析可確定高電平電流密度空間和可能出現(xiàn)的長期印刷電路板故障

　　空間狹窄可導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題，而這一問題可能幾年后才會(huì)顯現(xiàn)。電流過高會(huì)使空間溫度上升，從而導(dǎo)致PCB像保險(xiǎn)絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對(duì)這些配電網(wǎng)進(jìn)行分析，并可確定虛擬樣機(jī)和高電平電流密度空間。然后設(shè)計(jì)人員便能夠?qū)臻g進(jìn)行擴(kuò)大或在相鄰層創(chuàng)建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應(yīng)的同時(shí)解決這一問題。

　　在測(cè)試室內(nèi)通過使用物理樣機(jī)對(duì)電流密度問題進(jìn)行測(cè)試并不實(shí)際，因?yàn)樗赡茉趲啄旰蟛拍芤l(fā)故障。而問題可能永遠(yuǎn)不會(huì)顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致隨后出現(xiàn)這方面的故障。

　　結(jié)論

　　可靠性在汽車電子中非常重要，而如今鑒于來自產(chǎn)品上市時(shí)間和成本縮減的壓力，采取在軟件虛擬樣機(jī)環(huán)境中相對(duì)于測(cè)試室內(nèi)的物理樣機(jī)進(jìn)行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機(jī)械設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行更多的模擬仿真方案。