汽车电路设计要点有哪些

 

要点：

开发汽车电路的基本要求

最大限度减少汽车电路中射频干扰的设计技巧

汽车电路运行的制造和可靠性技巧

 

如今，汽车变得越来越数字化，从安全气囊传感器到倒车摄像头和车道辅助等安全和便利功能，应有尽有。我们目前正处于“汽车复兴”时期，所有这些新的电子技术都融入了我们的车辆中

然而，在整合如此多的电子功能时，总是存在失败的风险，这使得汽车电路设计变得更加关键。基于元件容差、温度变化和其他参数的电子电路功能和可靠性仿真变得越来越重要。通过仿真执行先进的良率和可靠性分析可能意味着汽车电路设计中现场故障和成功推出之间的差异。

 

01

汽车电路设计要求

 

新开发的车辆中通常有数百个电子控制单元 (ECU)。各种 ECU 示例包括安全气囊、全轮驱动、GPS 导航系统、高级驾驶员辅助系统 (ADAS)、娱乐系统、摄像头、激光雷达和其他传感器。

大量的电子产品给开发带来了一系列挑战，从通信问题到配电困难。以下精选了汽车电路设计中遇到的常见问题：

布线连接问题需要使用“线控驱动”，其中机械连接被传感器和执行器的布置所取代。

配电和混合驱动器允许更小型化的高密度电力电子设备

嵌入式系统建模，包括硬件架构、软件要求和功能要求

由于需要数字控制环路的大量模拟传感器（氧气、轮胎压力等），因此需要进行混合信号模拟。

虚拟原型，在构建之前测试硬件和软件兼容性。

软件验证可确保完整的系统功能并降低构建硬件的成本，从而解决出现的任何问题。

在设计汽车电路时，有必要考虑您在其他地方可能不会遇到的多种综合因素。具体来说，汽车电子产品既受到成本和重量的影响，但必须能够承受恶劣的环境，保持相对较低的层数，并最大限度地提高可靠性，预期寿命长达 10 年以上。

重要的是，您的 PCB 制造商有能力生产特别小的电路板，因为大多数使用 PCB 的车辆空间有限。尽管尺寸很小，但电路板必须经过编程才能处理数字显示的所有内容。

 

02

汽车混合信号PCB布局策略

 

由于传感器数量众多，您必须小心混合信号路由。在返回路径中遵循良好的混合信号实践，例如隔离模拟和数字组件以及在单独的导体上路由返回路径。此外，使信号环路面积尽可能小，并避免将电路放置在连接器之间。确保您的数字信号转换时间得到控制，并且实心返回平面中没有间隙。

 

03

汽车电路标准

 

汽车电路有各种各样的标准。20世纪90年代，为了确保质量管理体系而建立了QS9000。进入21世纪，世界汽车制造商创建了新的质量管理体系，定义为ISO/TS16949。该标准整合了汽车行业的要求，涵盖汽车供应链内的缺陷预防、质量波动和减少浪费。许多PCB制造商在进入汽车市场生产之前必须获得ISO/TS16949证书。

 

04

射频干扰电路设计

 

汽车电路板对 RFI 特别敏感，需要采取多重预防措施才能顺利运行

在汽车电路设计中，意识到电磁干扰 (EMI)，也称为射频干扰 (RFI) 尤为重要。车辆的多个部件都容易受到 RFI 的影响，甚至包括保险杠或面板等非金属车身部件。因此，采取措施保证电子元件的顺利运行至关重要。正确的屏蔽和接地将有助于降低不必要的 EMI 和意外天线的风险。

 

05

汽车通讯

 

汽车高速通信总线（控制器局域网或 CAN 总线）可在恶劣的电磁环境中运行，使其成为车辆设计的有用部分。无论使用哪种汽车网络协议，都必须采取措施限制车载 ECU 的 RFI 暴露，以确保车辆安全运行和功能。

串扰也是汽车电路设计中的一个主要问题。当一根线路的能量耦合到汽车中的通信总线时，可能会发生串扰，从而降低汽车网络的信号完整性。捆绑电缆以及线束中有多对电缆可能会导致汽车通信网络中的串扰干扰。双绞线电缆是限制其中一些影响的良好解决方案。此外，与其他汽车通信协议相比，汽车以太网具有强大的抗串扰能力、信号完整性和更好的性能。 

 

06

CAN总线布局

 

由于速度相对较低（按照当今的标准），CAN 总线的布局不像其他需要 Gb/s 传输速率的协议那样密集。尽管如此，将快速下降/上升的信号和其他开关节点放置在与数据线保持安全距离的位置以避免电感耦合仍然很重要。在异步层次结构中，长度匹配并不是太大的问题，但短且直接的节点的性能总是会更好。

 

07

汽车PCB的制造特点

 

车辆中有数百个汽车电路，其中许多电路体积小、结构紧凑，能够承受相对恶劣的条件

汽车防碰撞和预测性紧急制动需要 PCB 与微波高频信号进行通信。因此，建议使用具有低介电损耗的基板材料，例如 PTFE（聚四氟乙烯）。这些基板需要独特的制造能力，例如特殊的通孔钻孔。

由于电子和电力的高密度，汽车会产生更多的热量。随着越来越多的混合动力汽车和电动汽车的开发，需要先进的电力传输系统，从而进一步提高了散热和大电流能力的必要性。因此，应增加多层 PCB 中铜引线和金属的厚度。

汽车现在拥有智能手机、计算机、娱乐系统和通信系统的许多功能，因此也需要高密度互连 (HDI)。电镀技术、微孔钻孔和互连技术需要应用于您的印刷汽车电路。

 

08

汽车电路基板

 

陶瓷 PCB 的高导热率和热膨胀系数使其在汽车（和航空航天）应用中特别有用。这是因为基于 FR-4 的标准 PCB 在高温和高压等极端条件下通常会出现缺陷。另一方面，除了高振动或腐蚀性环境外，陶瓷电路板在这些条件下表现更好。陶瓷还特别适用于高功率密度电路设计，进一步增强了其在汽车电路中的潜在用途。

柔性电路板及其变体刚挠结合板通常用于汽车行业。这是因为汽车领域的电路经常经历大量振动。具体来说，材料叠层中的“超柔性”HA 铜。这些电路可以经历反复振动而不会损坏。

 

09

可靠性测试

 

 

进行多次可靠性测试对于减少汽车现场故障至关重要

在开发汽车电路时，可靠性测试对于成功至关重要。PCB 必须运行的环境是可变的，因此需要进行多项可靠性测试。

• 汽车PCB 需要进行热冲击测试才能获得更高的耐热性。将 PCB 浸入温度为 260°C 的焊膏中 10 秒 3 次。然后，检查 PCB 以确保不存在层压问题、凸块或裂纹。

• 由于PCB 必须在极其多雨和潮湿的环境中工作，因此需要进行温湿度偏差(THB) 测试，其中“PCB 导电阳极丝(CAF) 迁移率”是其中的一个重要方面。这是在相邻通孔之间、通孔和导线之间以及相邻导线之间完成的。

• 必须进行热循环测试(TCT)。车辆的不同部件（底盘下方、发动机下方、变速箱部件以及发动机内部）都有各自的极限温度，该区域的电路板必须承受这些极限温度。

 

10

利用印刷电路板工具进行汽车电路设计
 

 

PSpice 可以协助多个验证和可靠性步骤，确保改进的性能和高质量的 ECU 交付

PSpice 为所有 ECU 相关仿真提供了单一工具。仿真软件可以帮助设计人员在性能问题出现之前发现它们，进行风险评估，并在设计过程的早期识别集成问题。

借助 PSpice，您将能够利用仿真功能在任何所需的抽象级别评估汽车 ECU 设计模块，从而避免后期设计变更。除了软件控制功能之外，您还可以通过将线控驱动设计与混合信号控制环相结合来执行完整的系统级分析。

借助PSpice电路模拟器的强大功能，您将能够最大限度地缩短设计周期、提高性能、自动执行设计任务、执行高级分析，并提供符合汽车行业质量和可靠性标准的ECU。

 

结论

Cadence提供了一系列对成功的汽车电路设计至关重要的工具。例如，敏感度分析工具可以帮助您确定哪些组件需要更严格的公差。使用烟雾分析功能可以告诉您哪些元件因功率损耗、结点温度变化或过电压可能发生的其他故障而受到压力。所有这些功能最终有助于确保更可靠的电路。