原创 3_硬件设计方法的思路

    其实从一个角度而言，整本书都可以不要，但是这个章节确实需要让每一位在汽车电子领域从事硬件设计的工程师去重视。

    一个普遍意义上的问题是，当我们了解完需求，把内动定义好，从电路图设计开始到电路图绘制完成，有什么样的一个形式来说明这个设计是可靠的呢？这个问题的提出是在于，如何能够说服自己和说服整个团队，电路的设计是经过精心考虑的，能够在前期的考虑中，就完全考虑了后面可能出现的问题，包括需要通过的设计验证试验、调试中可能出现的问题、装车过程中可能出现的问题和未来潜在的设计更改。

   在以上的示意图中，大概归纳出了失效率&寿命估计、故障&原因分析、极端条件下的最坏情况的分析、潜在电路和潜在的模式分析和稳态和暂态的热状态分析这些内容，作为一个模块的强壮性的依据，换句话来说，也就是设计的靠谱程度。这与在各个方面应用较多的强壮性设计方法，并没有冲突，本质上这块内容可以统统划分到容差分析里头，作为校核电路的内部指标（模块内生性的一些参数）和外部指标（根据系统要求的基本输出参数）。

   在汽车中，有着太多的零件，而电子模块往往起着控制的作用，要是它趴下了，一个较小的子系统也就趴下了。以车身控制器为例，车门、车窗、雨刮、车灯和门禁系统，哪个功能失效了，消费者可是要求索赔的，车商还得Cover经销商的问题，一旦累计到某个程度，还必须召回这些车辆。所以在要求电子模块里头，质量问题也就成了最基本的要求，设计使用时间和整个模块的故障率都是要求较高的，毕竟没人要求一个MP3或者电风扇使用15年。

    以下为目录，我将努力在每个小节的地方写清楚为什么？和之间的相互联系，作为每章理清思路的开始。在补充以后，有不明白的地方可以提出来。

第3章 汽车电子硬件设计方法

3.1模块的可靠性预测

     如前面所说的那样，模块的无故障使用时间是需要工程师进行评估的。这是从元件的失效率开始计算模块的子功能系统的失效率，最后大致得出整个模块的失效率，这个指标是需要进行控制的。对于元件失效来说，是需要在实际运行中进行统计得出来的，由于汽车电子的特殊性，它并不具备自己失效数据库（汽车OEM负责调查汽车质量，控制模块仅仅作为一部分，很难单独进行大量的统计）。不像做军工的可以参考MIL-HDBK-217F2，做通信的可以参考Telcordia Issue或者HRD5。

    这项工作需要较多的时间，采取可靠性软件已经把完成简化；在自己需要亲手做的情况下，可以选择元件计数法或应力分析法，前者适用于缺乏足够的时间下得出简要结果，后者是设计到了需要确认的阶段清晰化的结果。

3.1.1 MIL-HDBK-217F

     美国的军标是一份久经考验的材料，由于其统计的样本较早，IC企业的工艺和可靠性都有着飞速的提升，以它的数值来进行评估，结果是很悲观并且不太切合实际。因此往往根据这份材料来做一个相对结果，然后根据企业自身的数据对数据进行调整。

     仔细看这份材料，里头有着我们使用的所有元件的失效率计算公式，也给出了各个参数所对应的数值，可以根据这些材料手头算算。

3.1.2 元件的失效分布

    单个元件的损坏，往往会形成不同的结果，这样的不同表现形式的失效也会对模块产生不同的影响。而我们在分析这些结果的时候，也可以得到这种结果是依照一定的概率进行分布的。217F并不给出失效的分布，338B则给出了完整的失效分布。

3.1.3 分布的简化

    事实上，338B给出了太多的失效模式，这使得我们的故障原因和错误树分析会非常复杂，而且我们比较关心一些关键性的失效模式，这样我们就需要对某些分布进行合并和简化。这个事情是需要公司进行积累的，比较简单的方法是找元器件的提供商给出其分析的数据，往往可以较为简单的达到目的。

3.1.4 降额设计

      元件的失效率是直接与其各种载荷直接相关的，也就是其标称的值，需要采取一定的降额使用才能达到一个较为理想的结果。而在算完一遍失效率以后，再去调整每个元件的额度是较为痛苦的，因此这里可以参考GJBZ3593进行一个前置的处理。然后根据前面的失效率检查，确认结果才进行调整，后续的工作会做得有效些。

3.2 最坏情况分析

PS：做这项工作时间最久，也最有感情。

    元件的失效往往不一定在稳定的状态下，有时候是在恶劣的环境下，各种载荷和条件集中在一起的时候，使得模块突然超过了其容忍程度。因此估计在各种最坏条件下，模块中的电路的各种参数和特性是非常有必要的。这里需要保证，模块的各个主要功能符合规定的范围，实际状态达不到损坏的范围，因此热状态的分析往往是最坏情况分析的一个主要研究对象，这部分内容与热分析有着一定的重叠和交叉。

    我们要分析的误差，大概可分为初始偏差、汽车环境变化引起的偏差和退化效应引起的部分。对于数字电路和模拟电路分别有着需要关注的内容，方法一般有三种，极值法、均方根法和蒙特卡洛。

3.2.1 整合复杂的情况

    最基础的情况，是需要把每个元件建立起基础的参数文档。一个最为简单的例子，是将电阻的精度，在各种条件下的最坏值给计算出来，我们看到的精度是正常状态下的。

   另外一个重要的事情，是得把电路分析的方法找回来，由于计算过程中需要引入大量的模型，构成的回路较多。可能需要在节点电压法和网孔电流法的支持下，使用矩阵进行运算。

3.2.2 极值分析法

  相对而言，这是最悲观和最简单的方法，将所有的输入参数分为上限和下限，就可以得到整个电路的上限和下限。至于如何选择，则可以用灵敏度和求导方法求取上下限参数组合。

3.2.3  均方根分析

   相对乐观一点，也把某些坏的情况忽略了，将所有的参数的方差整理出来，得出系统的方差，然后选择覆盖模块的概率范围。

3.2.4 蒙特卡罗分析

    采用随机抽样的方法是较为简单的，不停的在一个范围内进行随机数代入，得出系统的分布的柱状图，能够精确的知道模块在大量应用的实际情况。这是必不可少的步骤，在计算中需要一些技巧，我做了一个例子。

3.2.5 PSPICE的应用

    用软件的方法当然是简单的，但是模型建立也需要费时间，一般作为某些电路分析的必要内容。我其实推荐大家使用Mathcad，可以做得更为精确，特别是熬过初始的建立的那个阶段。

3.3 FMEA失效模式的影响分析

    在一个相对复杂的系统中，如果不能从减少潜在故障的角度去考虑问题，将可能收获诸多的问题。在国际汽车质量要求越来越苛刻的条件下，汽车电子模块中进行失效模式的分析是非常有必要的。由于这块内容需要更多经验，我曾经做过的东西好像实在是有些差距，这里只是给出了一些基本的参考材料。

3.3.1 找问题

    这里要说的，是我当初在涉及寻找故障中采取的一些标准化方法。当初的某个车在路试的时候，转向灯的驱动电路烧毁，光是寻找这个原因就花费了大量的时间，最后找到的原因是门锁驱动抑制感性没做好。按照当初的看法，如果有一份完整的DFMEA，长时间的无头绪调查和排查型实验毫无价值。

3.3.2 实际内容

    这部分整理了一些基础的内容，由于没有太多经验，只能尽力写些基础的材料，篇幅不大。

3.4 故障树分析 

    故障树在某些故障的分析过程中，是一种非常好用的工具，在分析某些重大的故障和问题的时候，相对给力。

3.4.1 树形结构

   篇幅不大，主要介绍一些基础的东西。

3.4.2 实现操作的方法

   定性和定量的方法里头，定量的需要建立一个事件的数据库，这里花了一些篇幅介绍一块免费软件的操作。

3.5 潜在路径分析

   汽车电气里头有着熔丝盒，在某些地方可能熔断的情况下，或者因为运输需要取下某些熔丝的时候，为了不让不同的输入之间产生“潜入”，这项工作是非常必要的。

3.5.1 “熔丝”问题

   当某些模块存在上拉的负载，而本身电源熔丝取下的时候，是重点分析的对象。

3.5.2 意想不到的潜在电路

   这里指电源内部不同电源（12V和5V或者其他电压轨），为了保护，可能采取钳位，另一方面就可能会有问题，举了个典型的例子来分析情况。

   总体而言，潜入路径是一种系统分析方法，是要把所有的负载和电源，内部电压轨之间进行系统性分析。在某些情况下，可能需要进入IC级别分析，特别是目前IC集成了越来越多的功能，不注意这点，到时候发生问题找不到哭都哭不出来。

3.6 模块热分析

   汽车电子模块的环境温度很苛刻，即使是汽车级别的器件，在某些时候散热功率也随着环境变化的，这里需要仔细核算。车身电子好像总体问题不大，EV和HEV的功率电子的应用才是关键，因此我在本文中仅仅是开了个头，这本书里头想要对此深入搞下去肯定是不可能的，以后等这本书顺利出出来，有时候我会努力的整理一些汽车功率电子热分析的材料给大家，这样可能更有意义。

3.6.1 稳态的散热计算方法

    介绍各种元件的发热计算方法，和基本概念如热阻等的定义，以及实际的情况。

3.6.2 热效应系数

     这里介绍的较为简单，主要是在不同的给出条件下，对前小节的补充。

3.6.3 板上印制线

     亲眼见到过PCB上某段线因为过温而导致问题的发生，因此在这里评估在超过一定的电流时候，电路板的宽度设计。在功率电子中，可能采取铜条等方法，这里给出的是一些基础而细致些的分析。

    整个章节原文看下来，由于我个人的笔力问题，因此编辑告诉我她硬是看不出来这些方法是汽车电子的设计方法。我想摆在这里，写得好的固然可取，写得不好的，得劳驾同行们自己去寻找更好的方法，共享个人的一些经验。

    写到这里，我似乎有些忧郁了，不管最后出得了出不了，肯定是毁誉参半，砸块砖头出来大家别失望。现在可能出师未捷……