汽车电子硬件系统设计的注意事项
上一篇 / 下一篇 2008-03-26 15:51:29 / 个人分类：产品结构介绍
1 电源要求
传统的汽车电子控制单元在电源部分都使用了线性调节器。它们通过损耗，将降低的电压消耗掉，将电压从汽车电源电压(发动机工作电压一般为14V)降到电子控制单元系统所需的电压值。当微处理器工作电压为5V时，电源利用率会很低(一个5V、0．8W的处理器会在调节器中产生1．4W的损耗，这在2．5W的D2PAK调节器中是允许的)。
当处理器电压为2V、损耗1W时，线性调压器的损耗就会意外地达到6W。解决这个问题的方法就是采用开关电源。它的设计更为复杂，但运行效率可达80％以上。因此，即使微处理器达到2．5W，在调节器中也只会产生0．5W的损耗。
未来的产品可能需要提供适合于42V运行电压，或12／42V双电压的电源。设计中也需要提供更高的需求功率，以及上面提到的较低的处理器电源电压。适当的开关电源可以很容易地满足这些需要。即使用于传统的12V汽车，也只需要一些较小的改变。
2微处理器的散热问题
前面章节中，讲述了在汽车电子控制单元中，采用更高处理速度的微处理器带来的优点。还要注意到须将所使用的微处理器当作“工业装置”，而非“汽车装置”。这些处理器的主要问题之一就是装置的温度范围。一个典型的工业装置，其推荐运行温度为-40℃(外围温度)～105℃(结温度)，而结温的最高限值为120℃。(相对应的汽车装置的运行温度为-40～125℃(结温范围为-40～150℃))。通常，温度的最低限制并不是什么问题，而结温的最高限值就意味着这种处理器可能不能用于靠近发动机或其他非常热的元件中，但它仍可放置在汽车的很多位置。因此，必须标明：ECU及处理器的过热处理，以确保处理器足够的冷却。
存在于大多数汽车及商业／工业微处理器间的一个虽小却很重要的不同点，就是装置的散热路径。汽车微处理器通常采用的散热路径是从模型到PCB，而商业／工业部分则采用装置顶端散热。在“顶端冷却”中。IC芯片的上表面直接连于装置的热传导片，而热传导片又与散热路径相连。在图4-45中，强制空气冷却散热片就用作散热路径。
另一种就是传导路径通过导热路径(Thermal Vial)，经过底部到达与其相连的IC芯片，如图4-46所示。
显而易见，“顶端冷却”在降低结温上可能是更好的技术，因为表面的热量直接与散热面相连接。
大多数商业微处理器采用“顶端冷却”，其典型例子就是台式机。它的强制空气冷却散热片就直接与微处理器相连接。很明显，这对汽车装置并不适用。这就需要另一种解决方法。可能采用的方法将在后续章节中讨论。
3 ECU的散热问题
不断增长运行功率及信息处理速率和因采用工业处理器带来的问题，使得设计中更多地考虑到：ECU的功率损耗。因此，ECU的热处理问题也将成为一个挑战。解决方法可分为三类：自然对流、强制对流和传导。对每一种都很难限定实际的冷却范围，因为这更多地取决于ECU是如何设计的。
辐射在大多数装置中是很难限定的。在很多情况下，它对ECU冷却的影响也是很小的。然而，仍需要一些防护措施，以确保ECU不受热辐射的影响，否则它可能会使任何一个冷却问题更加恶化。
如果采用自然对流，就会得到散热功率为12W，外围温度为85℃，处理器最高结温为150℃(汽车用处理器)。如果采用典型的工业处理器，其最大结温为105℃，那么顺理成章地就应将外围温度降低45℃。然而要在汽车应用中将外围温度降至40℃是不可能做到的。通过增加散热片就可使外围温度的允许值增加10℃左右。采用散热片的强制对流可增加外围温度的允许值，但当ECU以一合理速度运行时，它需要配有外壳及使空气流通的风扇。它是否可以给强制元件提供足够的冷却温度就是另外一回事了。这一方法已用于汽车，但其表现并不令人满意。主要归于以下两点原因：风扇并不可靠，导管也必须设计为适用于每一个装置。
将ECU直接与汽车底盘相接，就可为ECU以传导方式冷却提供一个良好的接触面。如果在设计阶段就较早地考虑这一问题，它就会很好地解决采用工业处理器温度受限的问题。
通常，直到汽车设计的后期，才考虑ECU位置摆放的问题。这就导致了必须在封装及热处理问题上采用折中的方法。初级阶段的设计构思就已包含了封装的设计，而一旦经过了设计鉴定／产品鉴定(Design Validalion／Production Validation，DV／PV)之后，就不能再有任何重大的改变了。从上面的例子可以看出，未来采用更高的功率损耗时，这一方法就不再适用了。
4设计工具
在模型的设计过程中，运用了很多设计工具，在机械方面，采用三维(3D)技术及计算机辅助设计(CAD)、流体力学计算(CFD)分析处理物理问题，个别还采用热处理分析。
电气设计采用了传递线性分析工具，和2D阻抗分析及传统的仿真、图表、布局设计工具。
1．物理设计
设计包括三个PCB。
设计的关键在于：
1)一个主PCB，连于一个粘有压力敏感设备的铝制硬板上；
2)一个副PCB，包括快速(100MBPS)网络连接和电源；
3)一个PCB处理器；
4)外壳。
这在图4-47中集中体现。装置不仅提供了散热片，还有相当于能使PCB不受振动影响的支架。
2．电磁兼容设计
对于高性能的ECu而言，微处理器时钟频率提高及网络信息处理速度增加，都会对EMC产生很大的影响。当然这些都可以通过基于EMC理论设计的一些技术来解决。所有的实用
原理如下：
1)像设计传输线一样设计所有的高速互连网络，它们都准确地终止于特性阻抗。这一方法可明显地减少电磁干扰，保持信号的完整性。
2)采用高速时钟源。
3)准确地划分(物理的和电气的)ECU的高频段和低频段(见图4-48)。
4)慎重选择连接器类型和布局，为100MBPS网络提供较好的匹配阻抗。
3．热处理的设计
板子的热处理设计要细节化分析，以确保工业处理器能够成功地应用于汽车环境。设计大致如下：
1)主PCB通过传导冷却连于铝硬板。副PCB采用对流与传导混合冷却。这个PCB包含了大量的高损耗装置，它们通过高温传导路径与底盘连接。其余的低功率装置采用自动调整，并通过自然对流实现冷却。
2)PCB处理器包含高性能的处理器。它采用柔软的热垫直接与顶盖相连，以吸收大量的热量。
上面介绍的装置常被认为是第一个模型的有效损耗法。这一方法的好处在于解决了产品的有效损耗，但另一方面也要考虑到，这就是处理器和调节器的冷却只能采用塞贝克效应器件与导热管。因为这个装置只能选择这种方法。常常考虑使用导热管，因为它通过将一特殊装置与散热片相连，就可提供理想的低损耗高温传导路径。塞贝克效应可以降低装置的温度，但又需要消耗到塞贝克效应负荷产生的额外的热量。因此，这在汽车应用中并不实用。由一对导热管构成的可行性装置如图4-49所示。
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