要點：

開發(fā)汽車電路的基本要求

最大限度減少汽車電路中射頻干擾的設計技巧

汽車電路運行的制造和可靠性技巧

如今，汽車變得越來越數字化，從安全氣囊傳感器到倒車攝像頭和車道輔助等安全和便利功能，應有盡有。我們目前正處于“汽車復興”時期，所有這些新的電子技術都融入了我們的車輛中

然而，在整合如此多的電子功能時，總是存在失敗的風險，這使得汽車電路設計變得更加關鍵?；谠莶?、溫度變化和其他參數的電子電路功能和可靠性仿真變得越來越重要。通過仿真執(zhí)行先進的良率和可靠性分析可能意味著汽車電路設計中現場故障和成功推出之間的差異。

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汽車電路設計要求

新開發(fā)的車輛中通常有數百個電子控制單元(ECU)。各種 ECU 示例包括安全氣囊、全輪驅動、GPS 導航系統(tǒng)、高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、娛樂系統(tǒng)、攝像頭、激光雷達和其他傳感器。

大量的電子產品給開發(fā)帶來了一系列挑戰(zhàn)，從通信問題到配電困難。以下精選了汽車電路設計中遇到的常見問題：

布線連接問題需要使用“線控驅動”，其中機械連接被傳感器和執(zhí)行器的布置所取代。

配電和混合驅動器允許更小型化的高密度電力電子設備

嵌入式系統(tǒng)建模，包括硬件架構、軟件要求和功能要求

由于需要數字控制環(huán)路的大量模擬傳感器（氧氣、輪胎壓力等），因此需要進行混合信號模擬。

虛擬原型，在構建之前測試硬件和軟件兼容性。

軟件驗證可確保完整的系統(tǒng)功能并降低構建硬件的成本，從而解決出現的任何問題。

在設計汽車電路時，有必要考慮您在其他地方可能不會遇到的多種綜合因素。具體來說，汽車電子產品既受到成本和重量的影響，但必須能夠承受惡劣的環(huán)境，保持相對較低的層數，并最大限度地提高可靠性，預期壽命長達 10 年以上。

重要的是，您的 PCB 制造商有能力生產特別小的電路板，因為大多數使用 PCB 的車輛空間有限。盡管尺寸很小，但電路板必須經過編程才能處理數字顯示的所有內容。

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汽車混合信號PCB布局策略

由于傳感器數量眾多，您必須小心混合信號路由。在返回路徑中遵循良好的混合信號實踐，例如隔離模擬和數字組件以及在單獨的導體上路由返回路徑。此外，使信號環(huán)路面積盡可能小，并避免將電路放置在連接器之間。確保您的數字信號轉換時間得到控制，并且實心返回平面中沒有間隙。

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汽車電路標準

汽車電路有各種各樣的標準。20世紀90年代，為了確保質量管理體系而建立了QS9000。進入21世紀，世界汽車制造商創(chuàng)建了新的質量管理體系，定義為ISO/TS16949。該標準整合了汽車行業(yè)的要求，涵蓋汽車供應鏈內的缺陷預防、質量波動和減少浪費。許多PCB制造商在進入汽車市場生產之前必須獲得ISO/TS16949證書。

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射頻干擾電路設計

汽車電路板對RFI 特別敏感，需要采取多重預防措施才能順利運行

在汽車電路設計中，意識到電磁干擾(EMI)，也稱為射頻干擾(RFI) 尤為重要。車輛的多個部件都容易受到 RFI 的影響，甚至包括保險杠或面板等非金屬車身部件。因此，采取措施保證電子元件的順利運行至關重要。正確的屏蔽和接地將有助于降低不必要的 EMI 和意外天線的風險。

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汽車通訊

汽車高速通信總線（控制器局域網或 CAN 總線）可在惡劣的電磁環(huán)境中運行，使其成為車輛設計的有用部分。無論使用哪種汽車網絡協(xié)議，都必須采取措施限制車載 ECU 的 RFI 暴露，以確保車輛安全運行和功能。

串擾也是汽車電路設計中的一個主要問題。當一根線路的能量耦合到汽車中的通信總線時，可能會發(fā)生串擾，從而降低汽車網絡的信號完整性。捆綁電纜以及線束中有多對電纜可能會導致汽車通信網絡中的串擾干擾。雙絞線電纜是限制其中一些影響的良好解決方案。此外，與其他汽車通信協(xié)議相比，汽車以太網具有強大的抗串擾能力、信號完整性和更好的性能。

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CAN總線布局

由于速度相對較低（按照當今的標準），CAN 總線的布局不像其他需要 Gb/s 傳輸速率的協(xié)議那樣密集。盡管如此，將快速下降/上升的信號和其他開關節(jié)點放置在與數據線保持安全距離的位置以避免電感耦合仍然很重要。在異步層次結構中，長度匹配并不是太大的問題，但短且直接的節(jié)點的性能總是會更好。

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汽車PCB的制造特點

車輛中有數百個汽車電路，其中許多電路體積小、結構緊湊，能夠承受相對惡劣的條件

汽車防碰撞和預測性緊急制動需要 PCB 與微波高頻信號進行通信。因此，建議使用具有低介電損耗的基板材料，例如 PTFE（聚四氟乙烯）。這些基板需要獨特的制造能力，例如特殊的通孔鉆孔。

由于電子和電力的高密度，汽車會產生更多的熱量。隨著越來越多的混合動力汽車和電動汽車的開發(fā)，需要先進的電力傳輸系統(tǒng)，從而進一步提高了散熱和大電流能力的必要性。因此，應增加多層 PCB 中銅引線和金屬的厚度。

汽車現在擁有智能手機、計算機、娛樂系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的許多功能，因此也需要高密度互連(HDI)。電鍍技術、微孔鉆孔和互連技術需要應用于您的印刷汽車電路。

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汽車電路基板

陶瓷 PCB 的高導熱率和熱膨脹系數使其在汽車（和航空航天）應用中特別有用。這是因為基于 FR-4 的標準 PCB 在高溫和高壓等極端條件下通常會出現缺陷。另一方面，除了高振動或腐蝕性環(huán)境外，陶瓷電路板在這些條件下表現更好。陶瓷還特別適用于高功率密度電路設計，進一步增強了其在汽車電路中的潛在用途。

柔性電路板及其變體剛撓結合板通常用于汽車行業(yè)。這是因為汽車領域的電路經常經歷大量振動。具體來說，材料疊層中的“超柔性”HA 銅。這些電路可以經歷反復振動而不會損壞。

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可靠性測試

進行多次可靠性測試對于減少汽車現場故障至關重要

在開發(fā)汽車電路時，可靠性測試對于成功至關重要。PCB 必須運行的環(huán)境是可變的，因此需要進行多項可靠性測試。

? 汽車PCB 需要進行熱沖擊測試才能獲得更高的耐熱性。將 PCB 浸入溫度為 260°C 的焊膏中 10 秒 3 次。然后，檢查 PCB 以確保不存在層壓問題、凸塊或裂紋。

? 由于PCB 必須在極其多雨和潮濕的環(huán)境中工作，因此需要進行溫濕度偏差(THB) 測試，其中“PCB 導電陽極絲(CAF) 遷移率”是其中的一個重要方面。這是在相鄰通孔之間、通孔和導線之間以及相鄰導線之間完成的。

? 必須進行熱循環(huán)測試(TCT)。車輛的不同部件（底盤下方、發(fā)動機下方、變速箱部件以及發(fā)動機內部）都有各自的極限溫度，該區(qū)域的電路板必須承受這些極限溫度。

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利用印刷電路板工具進行汽車電路設計

PSpice 可以協(xié)助多個驗證和可靠性步驟，確保改進的性能和高質量的ECU 交付

PSpice 為所有 ECU 相關仿真提供了單一工具。仿真軟件可以幫助設計人員在性能問題出現之前發(fā)現它們，進行風險評估，并在設計過程的早期識別集成問題。

借助 PSpice，您將能夠利用仿真功能在任何所需的抽象級別評估汽車 ECU 設計模塊，從而避免后期設計變更。除了軟件控制功能之外，您還可以通過將線控驅動設計與混合信號控制環(huán)相結合來執(zhí)行完整的系統(tǒng)級分析。

借助PSpice電路模擬器的強大功能，您將能夠最大限度地縮短設計周期、提高性能、自動執(zhí)行設計任務、執(zhí)行高級分析，并提供符合汽車行業(yè)質量和可靠性標準的ECU。

結論

Cadence提供了一系列對成功的汽車電路設計至關重要的工具。例如，敏感度分析工具可以幫助您確定哪些組件需要更嚴格的公差。使用煙霧分析功能可以告訴您哪些元件因功率損耗、結點溫度變化或過電壓可能發(fā)生的其他故障而受到壓力。所有這些功能最終有助于確保更可靠的電路。