汽車電子產(chǎn)品—危機(jī)隱現(xiàn)

在1994至2004這10年間，全球IC(集成電路)業(yè)務(wù)從570億美元增長(zhǎng)到1140億美元，每年平均增長(zhǎng)7％。而在這10年中，全球汽車用Ic銷售收入從24億美元增長(zhǎng)到74億美元，10年就增長(zhǎng)了3倍多，年平均增長(zhǎng)率為12％。從這些數(shù)字可以明顯看出，與其它類IC相比，汽車用IC銷售收入的增長(zhǎng)速度快得多。很清楚，在過去10年，汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)是一個(gè)賺錢的好去處，因此越來越多的IC制造商開始密切關(guān)注汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)的走向。

展望未來，市場(chǎng)研究公司IC Insights預(yù)測(cè)，全球汽車用IC銷售收入到2008年將達(dá)到116億美元，按照這樣的預(yù)測(cè)，未來幾年將持續(xù)保持過去10年經(jīng)歷的12％的年增長(zhǎng)率。

1997年，歐洲成為全球最大的汽車用IC市場(chǎng)，而且未來的汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)中心仍然是歐洲。2008年，歐洲汽車用IC銷售收入預(yù)計(jì)將達(dá)到43億美元，占全球汽車用IC總銷售收入的37％，這將高于世界上其它任何地區(qū)的銷售收入。不過，歐洲在高科技電子系統(tǒng)方面取得領(lǐng)先地位的同時(shí)，也出現(xiàn)了一些非常嚴(yán)重的問題。

汽車中的電子產(chǎn)品在不斷增多

隨著電子系統(tǒng)不斷取代機(jī)械系統(tǒng)，汽車中的電子產(chǎn)品會(huì)越來越多，例如引擎和動(dòng)力傳動(dòng)控制、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電子剎車和LED照明系統(tǒng)。現(xiàn)在用戶買車時(shí)更看重的是汽車具有的電子功能，尤其是導(dǎo)航和娛樂系統(tǒng)，汽車行業(yè)稱這類系統(tǒng)為信息娛樂系統(tǒng)。

不過，在汽車電子產(chǎn)品領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的是安全系統(tǒng)。在客戶意識(shí)和政府法規(guī)的共同推動(dòng)之下，汽車穩(wěn)定性系統(tǒng)控制、被動(dòng)安全系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)等諸多相似系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。預(yù)計(jì)到2010年，在一般的汽車生產(chǎn)成本中，電子產(chǎn)品將占到37％，這接近今天的兩倍。

那么這些電子產(chǎn)品在提高現(xiàn)代汽車的可靠性上做出了哪些貢獻(xiàn)呢?回顧下下JD Powers的汽車可靠性排名，就可以看出一些趨勢(shì)。JD Powers從買車3年的用戶那里收集數(shù)據(jù)。1995午時(shí)，在排名前10位的公司中有4家日本公司、3家美國(guó)公司和3家德國(guó)公司。這一年，梅塞德斯·奔馳(Mercedes Benz)位列第四，奧茲莫比爾(Oldsmobile)排名第六。

到10年后的2005年，情況發(fā)生了變化。現(xiàn)在排名前10位的公司中有5家日本公司、4家美國(guó)公司，德國(guó)公司僅剩一家了。這家德國(guó)公司是保時(shí)捷(Porsche)，它在1995年的時(shí)候甚至連前10名都沒進(jìn)去。

很明顯，在過去10年中，歐洲汽車制造商嚴(yán)重失寵了。這大部分是由大家爭(zhēng)先恐后地用最新最炫的電子技術(shù)吸引高端用戶造成的。今天的歐產(chǎn)汽年可能含有多達(dá)70個(gè)微處理器，這極大地提高了出故障的幾率，更不用提這些現(xiàn)代化系統(tǒng)給用戶帶來的困惑了。

由于用戶的反對(duì)，現(xiàn)在形勢(shì)開始出現(xiàn)改變，很多歐洲汽車制造商實(shí)際上正在減少功能，以在質(zhì)量上下更大的功夫。不過很明顯，汽車電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)趨勢(shì)不會(huì)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，電子產(chǎn)品將繼續(xù)取代更多的機(jī)械系統(tǒng)。

苛刻的汽車環(huán)境

除非采取不同的理念和方式，否則過去10年出現(xiàn)的質(zhì)量問題會(huì)繼續(xù)惡化。山現(xiàn)今天這種可靠性問題的部分原因是，現(xiàn)代汽車非常復(fù)雜。除掉復(fù)雜性，還有另一個(gè)原因，即汽車是我們所知道的最為苛刻的環(huán)境之一。

汽車中的12V電池電源一直被稱作“煉獄中的電源”，這種叫法有充分的理由。在非常冷的天氣中啟動(dòng)引擎，通常稱作“冷車發(fā)動(dòng)”，可能導(dǎo)致電池電壓降至4V。有些汽車公司要求的冷車發(fā)動(dòng)電壓甚至更低。電池連接不牢固或重負(fù)載斷開常常導(dǎo)致“負(fù)載突降”。在這種情況下，12V電池上的電壓瞬間可能超過100V，就一個(gè)所謂的12V系統(tǒng)而言，這也許不是人們期望出現(xiàn)的情況。讓事情更加棘手的是，即使電池裝反了，也不允許電子產(chǎn)品有任何損壞。

顯然，從環(huán)境溫度和工作電壓的角度來看，汽車電子產(chǎn)品所處的環(huán)境非常苛刻。不僅如此，汽車環(huán)境對(duì)其它一些方面也呈現(xiàn)出同樣的挑戰(zhàn)。由于汽車中的電子產(chǎn)品越來越多，因此容納這些系統(tǒng)的空間越來越小了。復(fù)雜的電子系統(tǒng)現(xiàn)在必須塞進(jìn)引擎?zhèn)}、儀表板、頭墊等狹小空間中。

由于空間受限，因此熱量管理又成了嚴(yán)重問題。汽車不僅要能在拉斯維加斯炎熱的陽(yáng)光下正常工作，還要能在一個(gè)受限的空間中承受自身產(chǎn)生的熱量。高效率但復(fù)雜的開關(guān)穩(wěn)壓器現(xiàn)在正在取代簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器，以減輕熱量問題。

在較老的汽車中，鑰匙在關(guān)位時(shí)，整個(gè)電氣系統(tǒng)都不加電。與此不同，現(xiàn)代汽車使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，鑰匙在關(guān)位時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍然加電，只是進(jìn)入了備用狀態(tài)。不幸的是，在備用狀態(tài)，大多數(shù)電子子系統(tǒng)仍然從電池吸取相當(dāng)大的電流。有些高檔歐產(chǎn)汽車有很多需要進(jìn)入備用狀態(tài)的系統(tǒng)，它們消耗了大量電池電流，以至于引擎必須每隔兩天就運(yùn)行至少30分鐘。換句話說，一輛車在車庫(kù)中停上一個(gè)周末，周一早上就可能啟動(dòng)不了!。如果這種趨勢(shì)持續(xù)下去，那么要不了多久，汽車就要在車庫(kù)中空轉(zhuǎn)一整夜了，因?yàn)檫@樣第二天才能啟動(dòng)。

另外，現(xiàn)在汽車中有太多的噪聲源(例如：微處理器、開關(guān)電源等等)，因此電氣干擾正在成為一大問題。這種干擾會(huì)導(dǎo)致收音機(jī)和電視機(jī)接收質(zhì)量差，在極端情況下，甚至?xí)屜到y(tǒng)失靈。減輕這個(gè)問題的辦法之一是微處理器和電源采用擴(kuò)頻時(shí)鐘，以降低特定頻率上的峰值噪聲幅度。

將來，汽車中的電子產(chǎn)品會(huì)多得多，這是事實(shí)。如果不采取相應(yīng)的方法解決電子產(chǎn)品增多帶來的問題，那么今天遇到的可靠性問題還會(huì)變得更嚴(yán)重。而且這不僅是客戶滿意度問題，它正在變成一種對(duì)安全的憂慮。

未來趨勢(shì)與新的設(shè)計(jì)方式

那么我們能夠做些什么來解決這些問題，而不必來個(gè)180°大轉(zhuǎn)彎，回到化油器和燃點(diǎn)時(shí)代呢?也許可以向日本人學(xué)習(xí)。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。日本人也成功實(shí)現(xiàn)了一致的高質(zhì)量，不管他們的車是在哪里生產(chǎn)的，在日本名谷屋或美國(guó)俄亥俄生產(chǎn)的汽車質(zhì)量一樣高。日本人是通過與供應(yīng)商緊密合作并在設(shè)計(jì)階段仔細(xì)關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)做到這一點(diǎn)的。

用戶發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)問題都源自設(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，沒有可靠的組件，也不可能生產(chǎn)出可靠的汽車。很明顯，只采用系統(tǒng)級(jí)的方法不能解決所有問題。系統(tǒng)級(jí)和組件級(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電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。要提高未來汽車的質(zhì)量，同時(shí)需要卓越的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和出色的組件級(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)問題并仔細(xì)規(guī)劃，因?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)問題在后來的設(shè)計(jì)階段是很難解決的。

由于汽車的網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，因此在開發(fā)初期就確定系統(tǒng)間傳遞信息的類型和系統(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，但是在未來的汽車中，可能有100個(gè)這樣的子系統(tǒng)，這會(huì)迅速耗盡汽車電池的電量。諸如此類的限制因素可能對(duì)電源系統(tǒng)類型的選擇產(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。

IC設(shè)計(jì)師與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的著眼點(diǎn)不同，而且常常提出客戶并不知道也無(wú)從要求的創(chuàng)新性解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與IC設(shè)計(jì)師思路開闊地合作，總是會(huì)產(chǎn)生性能最佳、成本最低和最可靠的解決方案。

像前面已經(jīng)提到的那樣，只采用系統(tǒng)級(jí)方法明顯是不夠的。組件級(jí)可靠性也是至關(guān)重要的。從歷史上來看，汽車設(shè)備制造商一直把重點(diǎn)放在單個(gè)組件的質(zhì)量上，以此確保IC的質(zhì)量。這個(gè)過程確實(shí)很重要，但是只有這種過程還不能確保系統(tǒng)的可靠性。例如，一個(gè)DC/DC控制器IC有出色的性能并很好地通過了組件級(jí)合格性測(cè)試，但是，如果工作模式確定得不好，例如同時(shí)接通頂部和底部的柵極驅(qū)動(dòng)器，那么即使該IC本身不會(huì)有任何問題，也可能損壞外部MOSFET。而這類問題不容易由組件級(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)出來。

由于組件級(jí)合格性測(cè)試檢測(cè)不到這類問題，因此汽車設(shè)備制造商必須非常仔細(xì)地選擇IC供應(yīng)商。汽車制造商應(yīng)該檢查目標(biāo)供應(yīng)商過往的現(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都做了哪些工作來確保其IC具有一致的質(zhì)量和可靠性?

其次，汽車制造商要考慮“總體擁有成本”，而不是在滿足最低要求的情況下簡(jiǎn)單地選擇最便宜的IC，這一點(diǎn)電很重要。在選擇IC廠商時(shí)，不夠充分的應(yīng)用支持、交貨不夠準(zhǔn)時(shí)以及附加的外部組件所帶來的成本都要予以考慮。最后，只要有可能，就應(yīng)該選擇專門為苛刻的汽車環(huán)境設(shè)計(jì)的IC。

IC應(yīng)該規(guī)定工作在寬溫度范圍，就電源管理IC而言，在有些情況下，要能夠承受高達(dá)150℃的結(jié)溫。對(duì)于電源器件來說，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待機(jī)模式電流的IC，以最大限度地減少電池泄漏。能夠承受冷車發(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，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)師與IC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IC供應(yīng)商以及專門為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC是未來保證汽車可靠性的關(guān)鍵因素。組件級(jí)可靠性仍然是不可或缺的，但是只有組件級(jí)可靠性是不夠的。

結(jié)語(yǔ)

到了該采用新的設(shè)計(jì)方式的時(shí)候了。

電子產(chǎn)品在汽車中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用，這種趨勢(shì)是不可阻擋的。但是如果按照現(xiàn)在這樣的趨勢(shì)發(fā)展下去，那么我們?cè)谶^去幾年中遭遇的可靠性問題將導(dǎo)致真正的危機(jī)。毫無(wú)疑問，必須改變汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式。

汽車設(shè)備設(shè)計(jì)師在開發(fā)初期必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上投注更多的精力，日本汽車制造商已經(jīng)清楚地證明了這么做的好處。另外，與IC供應(yīng)商協(xié)作，思路開闊地討論目標(biāo)與問題會(huì)使IC更有針對(duì)性地滿足汽車應(yīng)用需求。

最后，很重要的是，不僅要依靠組件級(jí)合格性測(cè)試，還要評(píng)估IC供應(yīng)商的文化和以前在可靠性方面的表現(xiàn)，以此判定廠商的合格性。這不僅是一個(gè)廠商選擇問題，因?yàn)槠囍圃焐踢€需要與IC供應(yīng)商開展合作。