汽车电子产品―危机隐现

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在 1994 至 2004 这 10 年间，全球IC(集成电路)业务从570亿美元增长到1140亿美元，每年平均增长7%。而在这10年中，全球汽车用IC销售收入从24亿美元增长到74亿美元，10年就增长了3倍多，年平均增长率为12%。从这些数字可以明显看出，与其它类IC相比，汽车用IC销售收入的增长速度快得多。很清楚，在过去10年，汽车电子产品市场是一个赚钱的好去处，因此越来越多的IC制造商开始密切关注汽车电子产品市场的走向。

展望未来，市场研究公司IC Insights预测，全球汽车用IC销售收入到2008年将达到116亿美元，按照这样的预测，未来几年将持续保持过去10年经历的12% 的年增长率。

1997年，欧洲成为全球最大的汽车用IC市场，而且未来的汽车电子产品市场中心仍然是欧洲。2008年，欧洲汽车用IC销售收入预计将达到43亿美元，占全球汽车用IC总销售收入的37%，这将高于世界上其它任何地区的销售收入。不过，欧洲在高科技电子系统方面取得领先地位的同时，也出现了一些非常严重的问题。

汽车中的电子产品在不断增多
随着电子系统不断取代机械系统，汽车中的电子产品会越来越多，例如引擎和动力传动控制、电动转向、电子刹车和 LED 照明系统。现在用户买车时更看重的是汽车具有的电子功能，尤其是导航和娱乐系统，汽车行业称这类系统为信息娱乐系统。

不过，在汽车电子产品领域增长最快的是安全系统。在客户意识和政府法规的共同推动之下，汽车稳定性系统控制、被动安全系统、防撞系统等诸多相似系统得到了飞速发展。预计到2010年，在一般的汽车生产成本中，电子产品将占到37%，这接近今天的两倍。

那么这些电子产品在提高现代汽车的可靠性上做出了哪些贡献呢？回顾一下JD Powers的汽车可靠性排名，就可以看出一些趋势。JD Powers从买车 3 年的用户那里收集数据。1995年时，在排名前 10 位的公司中有 4 家日本公司、3 家美国公司和 3 家德国公司。这一年，梅塞德斯?奔驰 (Mercedes Benz) 位列第四，奥兹莫比尔 (Oldsmobile) 排名第六。

到 10 年后的 2005 年，情况发生了变化。现在排名前 10 位的公司中有 5 家日本公司、4 家美国公司，德国公司仅剩一家了。这家德国公司是保时捷 (Porsche)，它在1995年的时候甚至连前 10 名都没进去。

很明显，在过去 10 年中，欧洲汽车制造商严重失宠了。这大部分是由大家争先恐后地用最新最炫的电子技术吸引高端用户造成的。今天的欧产汽车可能含有多达 70 个微处理器，这极大地提高了出故障的几率，更不用提这些现代化系统给用户带来的困惑了。

由于用户的反对，现在形势开始出现改变，很多欧洲汽车制造商实际上正在减少功能，以在质量上下更大的功夫。不过很明显，汽车电子产品的增长趋势不会出现逆转，电子产品将继续取代更多的机械系统。

苛刻的汽车环境
除非采取不同的理念和方式，否则过去 10 年出现的质量问题会继续恶化。出现今天这种可靠性问题的部分原因是，现代汽车非常复杂。除掉复杂性，还有另一个原因，即汽车是我们所知道的最为苛刻的环境之一。

汽车中的 12V 电池电源一直被称作“炼狱中的电源”，这种叫法有充分的理由。在非常冷的天气中启动引擎，通常称作“冷车发动”，可能导致电池电压降至 4V。有些汽车公司要求的冷车发动电压甚至更低。电池连接不牢固或重负载断开常常导致“负载突降”。在这种情况下，12V 电池上的电压瞬间可能超过 100V，就一个所谓的 12V 系统而言，这也许不是人们期望出现的情况。让事情更加棘手的是，即使电池装反了，也不允许电子产品有任何损坏。

显然，从环境温度和工作电压的角度来看，汽车电子产品所处的环境非常苛刻。不仅如此，汽车环境对其它一些方面也呈现出同样的挑战。由于汽车中的电子产品越来越多，因此容纳这些系统的空间越来越小了。复杂的电子系统现在必须塞进引擎仓、仪表板、头垫等狭小空间中。

由于空间受限，因此热量管理又成了严重问题。汽车不仅要能在拉斯维加斯炎热的阳光下正常工作，还要能在一个受限的空间中承受自身产生的热量。高效率但复杂的开关稳压器现在正在取代简单的线性稳压器，以减轻热量问题。

在较老的汽车中，钥匙在关位时，整个电气系统都不加电。与此不同，现代汽车使用网络系统，钥匙在关位时，网络系统仍然加电，只是进入了备用状态。不幸的是，在备用状态，大多数电子子系统仍然从电池吸取相当大的电流。有些高档欧产汽车有很多需要进入备用状态的系统，它们消耗了大量电池电流，以至于引擎必须每隔两天就运行至少 30 分钟。换句话说，一辆车在车库中停上一个周末，周一早上就可能启动不了!。如果这种趋势持续下去，那么要不了多久，汽车就要在车库中空转一整夜了，因为这样第二天才能启动!

另外，现在汽车中有太多的噪声源 (例如：微处理器、开关电源等等)，因此电气干扰正在成为一大问题。这种干扰会导致收音机和电视机接收质量差，在极端情况下，甚至会让系统失灵。减轻这个问题的办法之一是微处理器和电源采用扩频时钟，以降低特定频率上的峰值噪声幅度。

将来，汽车中的电子产品会多得多，这是事实。如果不采取相应的方法解决电子产品增多带来的问题，那么今天遇到的可靠性问题还会变得更严重。而且这不仅是客户满意度问题，它正在变成一种对安全的忧虑。

未来趋势与新的设计方式
那么我们能够做些什么来解决这些问题，而不必来个 180o大转弯，回到化油器和燃点时代呢？也许可以向日本人学习。毕竟雷克萨斯 (Lexus) 1995 年在可靠性上排名第一，2005 年仍然位居第一。日本人也成功实现了一致的高质量，不管他们的车是在哪里生产的，在日本名谷屋或美国俄亥俄生产的汽车质量一样高。日本人是通过与供应商紧密合作并在设计阶段仔细关注每一个细节做到这一点的。

用户发现的绝大多数问题都源自设计阶段而不是生产阶段。缺点一旦设计进去了，任何工人都不可能在生产中将其剔除出去。另外，没有可靠的组件，也不可能生产出可靠的汽车。很明显，只采用系统级的方法不能解决所有问题。系统级和组件级需要齐头并进。

因此我们需要用两步走的方式完成汽车电子产品设计。要提高未来汽车的质量，同时需要卓越的系统级设计和出色的组件级可靠性。怎样才能做到这一点？首先，必须确定所有系统级问题并仔细规划，因为系统架构问题在后来的设计阶段是很难解决的。

由于汽车的网络化程度越来越高，因此在开发初期就确定系统间传递信息的类型和系统通信控制方式是至关重要的。功率、热量和空间限制也必须在系统级规划阶段解决。尽管单个子系统在备用状态可能只消耗两三毫瓦功率，但是在未来的汽车中，可能有 100 个这样的子系统，这会迅速耗尽汽车电池的电量。诸如此类的限制因素可能对电源系统类型的选择产生重大影响。而且，正如前面提到的那样，必须在系统级规划时考虑防止子系统间可能产生干扰的措施。

IC设计师与系统设计师的着眼点不同，而且常常提出客户并不知道也无从要求的创新性解决方案。系统设计师与IC设计师思路开阔地合作，总是会产生性能最佳、成本最低和最可靠的解决方案。

像前面已经提到的那样，只采用系统级方法明显是不够的。组件级可靠性也是至关重要的。从历史上来看，汽车设备制造商一直把重点放在单个组件的质量上，以此确保IC的质量。这个过程确实很重要，但是只有这种过程还不能确保系统的可靠性。例如，一个 DC/DC 控制器IC有出色的性能并很好地通过了组件级合格性测试，但是，如果工作模式确定得不好，例如同时接通顶部和底部的栅极驱动器，那么即使该IC本身不会有任何问题，也可能损坏外部 MOSFET。而这类问题不容易由组件级合格性测试检测出来。




由于组件级合格性测试检测不到这类问题，因此汽车设备制造商必须非常仔细地选择IC供应商。汽车制造商应该检查目标供应商过往的现场故障率，也应该花力气了解该供应商的“质量文化”。电路设计师、测试工程师和芯片工厂操作员都做了哪些工作来确保其IC具有一致的质量和可靠性？

其次，汽车制造商要考虑“总体拥有成本”，而不是在满足最低要求的情况下简单地选择最便宜的IC，这一点也很重要。在选择IC厂商时，不够充分的应用支持、交货不够准时以及附加的外部组件所带来的成本都要予以考虑。最后，只要有可能，就应该选择专门为苛刻的汽车环境设计的IC。

IC应该规定工作在宽温度范围，就电源管理IC而言，在有些情况下，要能够承受高达 150℃的结温。对于电源器件来说，仅规定器件的额定工作温度为 125℃还不够，因为结温会高于环境温度。始终保持接通的子系统应该采用具有非常低的待机模式电流的IC，以最大限度地减少电池泄漏。能够承受冷车发动和负载突降情况也是至关重要的。

要提高可靠性，汽车系统设计师与IC设计师的互动必不可少。系统架构合理、仔细选择IC供应商以及专门为汽车应用设计的IC是未来保证汽车可靠性的关键因素。组件级可靠性仍然是不可或缺的，但是只有组件级可靠性是不够的。

结语
到了该采用新的设计方式的时候了。

电子产品在汽车中会得到越来越多的应用，这种趋势是不可阻挡的。但是如果按照现在这样的趋势发展下去，那么我们在过去几年中遭遇的可靠性问题将导致真正的危机。毫无疑问，必须改变汽车电子产品的设计方式。

汽车设备设计师在开发初期必须在系统设计上投注更多的精力，日本汽车制造商已经清楚地证明了这么做的好处。另外，与IC供应商协作，思路开阔地讨论目标与问题会使IC更有针对性地满足汽车应用需求。

最后，很重要的是，不仅要依靠组件级合格性测试，还要评估IC供应商的文化和以前在可靠性方面的表现，以此判定厂商的合格性。这不仅是一个厂商选择问题，因为汽车制造商还需要与IC供应商开展合作。

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这不是我们应该担心的吧

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