如何設計一個車規級ECU?

在發明汽車近一百年后，汽車電子技術才迎來了快速發展及應用，在此之前的很長一段時間，車上唯一的電子模塊可能就是收音機。而現在，一輛現代化轎車上通常需要安裝 50 個以上的電子模塊，整車電線長度超過 3km。

在眾多的車載電子模塊中，與車輛控制及安全緊密相關的就是各種各樣的 ECU 。ECU 的車載應用最早可以追溯到 1968 年，距今已有半個多世紀。圖1 為 1968 年大眾的一款掀背車廣告，當時隨著排放法規的發布，大眾量產了全球第一輛采用 ECU 來控制發動機燃油噴射的汽車，當時廣告宣傳的名字為電子大腦（Electronic Brain），廣告的標題為“大眾電子大腦，比化油器更聰明”，從“電子大腦”這個名字就能感受到當時人們對車輛電子化及智能化的憧憬。

圖1 1968 年大眾一款掀背車的廣告   

實際上，汽車電子化在更早之前的 1955 年便開始了。隨著第一臺晶體管汽車收音機的推出，便拉開了汽車電子化的歷史大幕。此后，汽車電子技術迅速發展，各種電子模塊如雨后春筍般被發明出來，并廣泛應用于各種車輛上，如 ABS、安全氣囊系統、電子控制門鎖系統、衛星導航系統、車輛防盜系統等。根據 Statista.com 的數據，在此期間，汽車中電子設備價值的整車占比躍升了 10 倍以上，從 20世紀 60 年代占汽車成本的 3% 上升到 2020 年的約 40%，預計在 2030 年后將達到 50% 以上。

01 什么是ECU

通常所說的 ECU，是 Electronic Control Unit 的縮寫，ECU 又稱電子控 制單元或電控單元，是汽車電子系統中用來控制電子電氣系統及汽車子系統的嵌入式系統。而發動機控制器（Engine Control Unit）的縮寫也為 ECU，為避免混淆，發動機控制器一般簡稱為發動機 ECU。汽車上存在大量用于實  現控制功能的嵌入式系統模塊，這些模塊可以統稱為電子控制模塊或電控模  塊，它們同其他一些不實現控制功能的汽車電子模塊，如儀表、影音娛樂、 導航模塊等，統稱為電子模塊。

汽車電子技術發展到現在，設計一輛汽車成了一件極其復雜的事情，而這其中很大一部分要歸因于車輛電氣化、智能化帶來的 ECU 數量的不斷增加。如今的中型燃油轎車，ECU 可能多達 70 個，豪華車的ECU 通常超過 100 個，各個 ECU 負責相應的控制功能。

如圖2 所示，ECU 從本質上來講，就是一個輸入—處理—輸出系統，即 IPO 系統（Input-Process-Output），也稱為 SPA 模型（Sense-Plan-Act ）。

圖2  ECU 功能示意圖

簡單來講，ECU 只做三件事情：采集信號、信號處理和輸出處理結果。

1.1 采集信號

采集信號即通過各種方式（有線或無線）采集輸入 ECU 的各種信號（數字或模擬信號）。

1. 有線信號：通過線纜直接輸入的信號，硬線信號如各類開關信號、傳感器信號等。

2. 通信信號：通過通信方式如串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、控制器局域網（Controller Area Network ，CAN）、局域互聯網絡（Local  Interconnect Network ，LIN）或以太網（Ethernet）等。

3. 無線信號：如低頻（Low Frequency，LF）信號、射頻（Radio Frequency，RF）信號、藍牙（Bluetooth，BLE）信號等。

4. 數字信號：簡單的如高有效或低有效的開關信號，或如脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation ，PWM）形式的調制信號，復雜的如數字攝像頭信號。

5. 模擬信號：如各種溫度、壓力、角度傳感器信號，雨量傳感器信號等，模擬信號一般在輸入 ECU 后都需要再轉為數字信號，然后才能進行處理。

1.2 信號處理

ECU 通常采用嵌入式系統，處理器通常為 MCU 。MCU 通常具有處理開關數字信號、模擬信號、PWM 信號、CAN/LIN/ 以太網通信信號的接口。但大多數時候，這些信號都需要經過專門的信號處理 / 轉換電路或芯片，經處理后轉化為 MCU 可識別的信號，然后才能進行最終處理，具體算法或策略則根據應用而定。

1.3 輸出結果

ECU 輸出結果的方式也根據應用的不同差異較大，既可以僅輸出控制信號，通過如繼電器等間接方式驅動負載；也可以直接控制，通過大電流輸出的方式直接驅動負載。輸出信號可以通過有線或無線方式，有線方式既可以是硬線信號，也可以是通信信號。

最初，人們為了控制排放，發明了發動機 ECU；為了被動安全，發明了 ABS 和安全氣囊；為了乘車的舒適性及便利性，發明了座椅控制器和電子控制門鎖系統；為了減輕長途駕駛的疲勞，發明了自動巡航系統。縱觀近半個多世紀，車輛技術的發展史基本就是各種 ECU 及電子模塊的發明史，電子技術對車輛技術的發展貢獻巨大。

02 如何設計一個ECU

任何產品設計，無論是消費品、工業品或汽車零部件，實際上都遵從相同的設計理念，也就是說，產品設計的底層邏輯實際上是互通的。

2.1 設計要求

在做一個產品設計時，通常首先考慮的是其功能的實現，在此基礎上再考慮其他有形或無形的一些要求，例如：

1. 滿足行業標準要求。

2. 滿足客戶標準要求。

3. 滿足客戶成本要求。

4. 滿足客戶項目周期要求。

5. 盡可能采用最新的技術。

6. 盡可能降低開發成本。

7. 盡可能降低 BOM 成本。

8. 盡可能降低生產成本。

汽車行業標準及客戶標準都較為復雜，同時產品的成本要求又極高，項目周期也較消費級和工業級要長。同時，因為可靠性要求很高，車輛的開發成本也較其他行業要高得多。以上這些復雜的要求暫時先拋開不談，下面先從基礎功能實現的角度出發，介紹一個 ECU 的設計過程。

2.2  設計流程

ECU 的產品設計，簡單來講，通常可分為以下幾步：

1. 系統設計。

2. 硬件與結構設計。

3. 軟件設計。

4. 產品測試。

2.2.1 系統設計

如圖3所示，ECU 系統框圖包含了其與外部的連接關系及內部的系統原理。

圖3 可以理解為一個 ECU 最小系統，其中包含：

1. 電源部分。電源部分包含電源輸入（乘用車通常為 12V 系統，商用車為 24V 系統）和 ECU 內部的電壓轉換部分。ECU 內部的芯片，如 MCU、運算放大器、邏輯芯片等，工作電壓通常為 5V 或 3.3V，這就需要電源芯片對電源電壓進行轉換，壓差較小或小電流應用通常采用低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator ，LDO），壓差較大或大電流應用則通常 采用直流轉直流（ Direct Current to Direct Current ，DC/DC）電源芯片，如需要多個電源軌，則通常采用電源管理芯片（Power Management Integrated Circuit ，PMIC ）。   

圖3  ECU 系統框圖

2. 信號部分。輸入信號是最簡單的硬線開關信號，可以是高有效（開關閉合時接通電源）或低有效（開關閉合時接通車身地，即常說的搭鐵）。信號輸入到 ECU 后，通過信號處理電路將信號轉化為 MCU 可識別的電壓信號。

3. 處理部分。ECU 通常是一個嵌入式系統，用 MCU 執行相應的信號處理工作。MCU 的外圍電路通常較為簡單，僅需要電源及晶振即可正常工作。

4. 輸出部分。MCU 作為處理芯片，受限于驅動能力，通常無法直接驅動任何負載，所以在 ECU 設計中會使用專門的驅動電路或芯片來直接或間接驅動負載工作。圖3 即為 ECU 直接驅動燈類負載工作。

2.2.2 硬件及結構設計

不同于軟件設計，硬件設計和結構設計都屬于具體的實物設計。結構設計和硬件設計通常會同步進行，并相互影響。對 ECU 來講，結構設計通常包括殼體設計、連接器設計、散熱設計等，設計時主要考慮產品尺寸、安裝方式、安裝位置、防護等級、機械強度等。

簡單來講，硬件設計主要包括器件選型、設計原理圖、創建 BOM、設計 PCB 等。圖4 為一個簡化的 ECU 原理圖，其中包含接口部分、電源部分、輸入檢測部分、MCU 控制部分以及輸出驅動部分。 

原理圖設計完成后就可以導出產品的初始 BOM，表 1 為一個產品的 BOM 舉例。通常意義上的 BOM 僅僅是一個物料清單，類似于人們去超市購物列的購物清單，但對一個汽車 ECU 來講，BOM 絕不僅僅是 BOM，它同時包含了非常多的其他信息。如表 1 中的 BOM 至少包含了以下信息：器件位置（頂層或底層）、物料編碼、物料描述、數量、位號、封裝、器件制造商、制造商物料編碼等。

圖4  簡化的 ECU 原理圖

表 1    BOM 物料清單

BOM 對一個產品來講極其重要，從 ECU 設計前期開始，貫穿了整個 ECU 的一生。BOM 并不是通常認為的設計完成后就一成不變，相反，BOM 是鮮活的，是有生命的，是隨著 ECU 一直在更新和進化的；BOM 見證了 ECU 的一生，從 ECU 的誕生到成長，從成熟到淘汰。

PCB 設計完成后就可以外發給 PCB 制板廠制板，工廠收到PCB 后就可以根據 BOM 進行 PCB 貼片，貼片完成后的電路板稱為電路板總成（PCB Assembly ，PCBA），如圖5 所示。PCBA 制作完成后會和結構設計進行校 核，此時的殼體通常為 3D 打印樣件，在確認設計匹配沒有問題后才會下達 開模指令進行開模。

實際上硬件設計工作遠不止原理圖及 PCB 設計，結構設計也不止殼體設計，還有大量的設計分析、測試驗證及流程文檔工作，這里暫不做過多描述。  

2.2.3 軟件設計

基于這個 ECU 最小系統，再加入一些軟件邏輯， ECU 便可以工作了。

圖5  PCB 與 PCBA

假定客戶需求如下：

1. 輸入信號 1 有效，則紅燈亮，無效則紅燈滅。

2. 輸入信號 2 有效，則綠燈亮，無效則綠燈滅。

根據以上需求制定的軟件邏輯如圖 6 所示。

圖6  ECU 軟件邏輯示意圖

實際上軟件設計工作遠不止于此，通常意義上的嵌入式設計包括底層軟件設計、模塊設計、系統集成，除此之外還有網絡通信、診斷、軟件測試驗證及流程文檔工作，這里暫不做過多描述。

2.2.4 產品測試

通常人們認為產品測試就是指產品的功能測試，如根據上面提出的產品功能，可以設計如下測試計劃：

1. 在輸入信號 1 、2 均無效的狀態下，接通 ECU 電源。

2. 使輸入信號 1 有效，紅燈亮。

3. 使輸入信號 1 無效，紅燈滅。

4. 使輸入信號 2 有效，綠燈亮。

5. 使輸入信號 2 無效，綠燈滅。

實際對汽車電子產品來講，產品測試遠不止于此。汽車電子產品測試通常可分為研發階段測試、設計驗證（Design Validation ，DV） 測試和量產后的產品驗證 PV（Product Validation ，PV ）測試。從側重點來講，研發階段測試側重于產品的功能、性能、可靠性及參數等方面的測試，PV 測試則側 重于檢驗產品大批量生產的工藝、質量穩定性及一致性。

DV 測試作為檢驗汽車電子零部件產品硬件設計質量的一種測試手段， 是一個重要的時間節點。DV 測試通常意味著產品設計的定型，因為硬件設計及結構設計在 DV 測試前需要設計凍結，即不再允許進行任何設計更改，DV 測試結束后產品才被允許進入小批量試生產階段，然后才能量產。

另外，不同于其他行業，汽車電子產品通常需要進行 100% 產品檢測及 100% 功能測試，也就是說，每個產品下線前都必須進行檢測，而非抽檢；檢測時，每項硬件功能都需要進行 100% 測試，而非抽檢個別功能，這種測 試在汽車行業稱為下線檢測（End of Line ，EOL），嚴格的 EOL 下線檢測流程雖然增加了生產時間、降低了生產效率，但卻有效地保證了產品的質量。

03 電子模塊的車載應用及生產要求

對于消費級產品或工業級產品來講，功能實現距離商用已不太遠，而對于汽車行業來講，僅僅實現了基本功能的原型機，通常只能稱之為演示樣品 （Demonstration ，Demo），意思就是僅僅可以作為功能演示之用，距離實際的車載應用還很遙遠。   

除基本的功能要求外，車載應用還需要面對嚴苛的車輛內外部環境、復雜的電氣及電磁環境、高可靠性及安全性要求、長壽命要求、低成本要求、生產制造可行性要求、批量一致性要求等。

3.1  嚴苛的車輛內外部環境

相對于消費級或工業級產品，車載產品所面對的內外部環境則要嚴苛得多，具體如下。

3.1.1 耐溫要求

1. 汽車使用環境的溫度范圍從最熱的沙漠到最冷的極地，車載電子模塊需要在各種狀況下正常工作。

2. 研究表明，汽車的駕駛艙工作溫度范圍為 -40~85℃。

3. 發動機艙溫度為 -40~125℃,其某些低溫區域也要求達到 105 ℃。

車載應用要求的極寬的溫度變化范圍，對汽車電子設計來講是一個極高的挑戰，尤其是對于電子元器件來講，高溫會帶來很多問題。以電阻器為例，電阻器的額定功率會隨溫度升高而降低，設計時就必須考慮溫度變化產生的降額，如在溫度超過 70℃后，功率需要按 1.25%/℃進行降額使用。再如功率芯片，如果最高允許結溫為 170℃,而環境溫度為 125℃,再疊加殼體密封的溫度影響，及功率芯片因高溫帶來的導通阻抗升高、發熱增大，綜合影響下，功率芯片的工作溫度就僅有不到 40℃的設計裕量。

3.1.2 耐濕度及防水要求

1. 車載電子模塊要求在所有的濕度范圍（相對濕度 10%~ 100%） 內能夠正常工作。

2. 高相對濕度會導致水汽進入某些電子元器件內部，導致電子模塊損壞。

3. 某些產品應用要求完全防水，即使采用高溫高壓噴水，或完全浸入水中亦能正常工作。

3.1.3 耐灰塵、污垢及鹽霧

車載電子模塊根據安裝位置不同，有不同的耐灰塵、污垢及鹽霧的要求。對于裸露安裝的產品，均要求有相應的防水、防塵等級，對產品上的金屬材料，如殼體、金屬支架、螺釘等則必須具有相應的耐鹽霧腐蝕的能力。

通常來講，產品的防護等級分為兩部分：防塵和防水，二者是相互獨立的。對車載電子產品來講，在對產品的防護等級做出要求時，通常是對二者均有要求。如按照國標 GB/T 4208—2017 《外殼防護等級（IP 代碼）》的規 定，第一位特征數字表示防止固體異物進入的防護等級，第二位特征數字表 示防止水進入的防護等級。如 IP57，“5”表示防塵，“7”表示短時間浸水，產品達到 IP57 就表示可以防塵和防短時間浸水。

3.1.4 耐機械振動、沖擊

車輛的應用環境極其多樣化，從城市到鄉村、再到野外，車輛需要應對不同的復雜路況，車載電子模塊也需要能夠在各種機械振動和沖擊下正常工作。以國內某大型乘用車 OEM 的振動測試標準為例，標準從輕度、中度、 劇烈到極度劇烈共分 9 個等級，極度劇烈的最高加速度為 294m/s2,近 30g，而戰斗機飛行員最大可以承受的加速度是10g。

參考汽車行業標準，車載電子模塊需要面對的外部環境條件可以概括如 圖7 所示。

圖7  車載電子模塊需要面對的外部環境條件

3.2  極其復雜的電氣及電磁環境

車載電子模塊在面對嚴苛的外部環境條件的同時，還需要面對更加復雜的內部電氣及電磁環境條件，這個挑戰甚至比外部環境更加嚴苛。參考汽車行業標準，車載電子模塊需要面對的電氣和電磁環境包括：

1. 供電電壓。12V 系統：9~16V；24V 系統：16~32V。   

2. 反向電壓。12V 系統：-14V/1min；24V 系統：-28V/1min。

3. 電壓瞬降。12V 系統：4.5V/100ms；24V 系統：9V/100ms。

4. 跳線啟動。12V 系統：24V/1min。

5. 啟動特性。12V 系統：3V/4.5V；24V 系統：6V/8V。

6. 拋負載。12V 系統：87V/400ms；24V 系統：174V/350ms。

7. 傳導抗擾。12V 系統：150V/-150V；24V 系統：300V/-600V

8. 電磁輻射抗干擾及抗大電流注入干擾（BCI）。頻率從 kHz 級別到 GHz 級別，電場強度高達 200V/m。

9. 靜電放電（ESD）。高達 25kV。

參考汽車行業標準，車載電子模塊需要面對的電氣及電磁環境條件可以概括如圖 8 所示。

圖8  車載電子模塊需要面對的電氣及電磁環境條件

3.3 高可靠性及安全性要求

3.3.1 可靠性要求

通常意義上講的可靠性是指產品在一定時間內或在一定條件下無故障地執行指定功能的能力，這個能力可以通過 dppm 值、FIT 值、MTBF 值等數據來進行度量，進而評價產品的可靠性。

通常認為一輛車由幾萬個零部件組成，一個電子模塊作為一個零部件來說，通常由數百至上千個電子元器件組成。以圖 9 為例，如果一個器件的故障率為 1dppm，對于一百萬輛車來講，就可能會有 1000 輛車的電子模塊存在缺陷，而一輛車上的電子模塊數量往往在 50 個以上。

圖9  器件 1dppm 缺陷對一百萬量車的影響

汽車行業中，汽車制造商（OEM） 對質量問題通常用 ppm 來量化，對 ECU 這種電子零部件，一般要達到 10ppm 以內，也就是百萬數量中只允許 出現幾個不良品。電子元器件供應商則常采用 dppm 來衡量元器件的不良率， 通常可以做到 1dppm 以內。

但對于車載電子模塊來講，由于其應用場景及功能的復雜性，簡單采用 dppm 或 FIT 值來衡量其可靠性是不合適的。對此，汽車行業國家標準 GB/  T 28046.1—2011（對應 ISO 16750-1 ：2006）《道路車輛電氣及電子設備的環境條件和試驗 第 1 部分：一般規定》對被測設備（Device Under Test， DUT） 在試驗期間及試驗后所處的功能狀態進行了清晰地分級，這個分級方法提供一個很好的參考。

GB/T 28046.1—2011 中的功能狀態分為 A 、B 、C 、D 、E 共五個等級。

1. A 級：試驗中和試驗后，裝置 / 系統所有功能滿足設計要求。

2. B 級：試驗中裝置 / 系統所有功能滿足設計要求，但允許有一個或多個超出規定允差。試驗后所有功能應自動恢復到規定限值。存儲器功能應符合 A 級。

3. C 級：試驗中裝置 / 系統一個或多個功能不滿足設計要求，但試驗后所有功能能自動恢復到正常運行。

4. D 級：試驗中裝置 / 系統一個或多個功能不滿足設計要求且試驗后不能自動恢復到正常運行，需要對裝置 / 系統通過簡單操作重新激活。

5. E 級：試驗中裝置 / 系統一個或多個功能不滿足設計要求且試驗后不能自動恢復到正常運行，需要對裝置 / 系統進行修理或更換。

ISO 16750 的 5 個標準 (1~5) 已全部升級為 2023 版，即 ISO 16750-1/2/3/4/5:2023，發布時間為 2023 年 7 月 , 對應的國家標準 GB/T 28046 尚未更新，故本書仍沿用現行國標對應的 ISO 版本。

對于車載電子模塊來講，不同的應用場景下，對應的不同功能需要滿足不同的可靠性等級，這從某種程度上提高了車載應用對電子模塊可靠性的要求。如車門解鎖的可靠性，車輛在正常非行駛狀態下，即使偶爾解鎖功能失效一次，乘客再次執行操作即可，這個偏差是可以接受的，也不會影響使用體驗。但如果是在發生碰撞事故后，車門的自動解鎖功能出現偏差或失效，那就可能關乎乘客的生命。

參考 ISO 26262-5 ：2018 《道路車輛功能安全》（對應 GB/T 34590.5— 2022）標準，若某個電子模塊的某個功能定義的功能安全等級為 ASILB，則 其相應的硬件失效概率要求為 100 FIT，從某種意義上則可以認為其 MTBF 為 107h， 即平均預期可安全工作時間為一千萬 h，約等于 1141.5 年。而對于轉向、制動等功能，功能安全等級要求則更高，達到 ASIL D 級別，為 10 FIT 。ISO 26262-5 ：2018 對隨機硬件失效目標值的規定見表 2。

表 2    ISO 26262-5：2018 對隨機硬件失效目標值的規定

3.3.2 安全性要求

對車載應用來講，電子模塊的可靠性和安全性的側重點有所不同。可靠性側重于電子模塊可靠地實現其相應功能而不發生故障或失效，而安全性則側重于在其功能未達到設計要求或功能失效后帶來的影響。安全性通常又可以分為兩方面：一是財產安全，二是人身安全。

1. 財產安全。如自動落鎖功能失效導致車內財物被盜，或者電子模塊防盜性能較差導致車輛被盜。

2. 人身安全。車輛涉及人身安全的地方很多，但對隸屬于電子電氣系統的電子模塊來講， ISO 26262 標準是一個很好的參考。ISO 26262 標準涵蓋的范圍主要是與安全相關的電子電氣系統（Electrica/Electronic Safety-Related Systems），如娛樂系統的音樂播放功能就不在此范圍內。 

對于需要考慮人身安全的電子模塊功能，在功能失效后可以采取不同的安全機制，如 Fail-Safe（故障安全）和 Fail-Operation（故障工作），其目的是 確保電子模塊發生故障時，對駕駛員、乘客和行人所造成的危害風險降低， 并控制在可接受的范圍內。

以車輛的近光燈控制功能為例，如果電子模塊的近光燈控制功能發生故障，Fail-Safe 的安全機制可以是強制開啟近光燈功能（無論當前近光燈功能是否開啟）；而 Fail-Operation 的安全機制則可以是依據駕駛員的操作決定是 否開啟或關閉近光燈。相較于電子模塊的正常工作狀態，其差異在于 Fail- Operation 是電子模塊的故障監測電路檢測到電子模塊故障后，將控制功能交給冗余控制電路。

電子模塊設計中常用的 Limphome（跛行回家）功能就是一種冗余設計。如圖10 所示，Limphome 電路在電子模塊正常工作時處于關閉狀態，當監測電路檢測到電子模塊故障持續時間超過一定時間（如 128ms），監測電路便會輸出一個 Limphome 信號，Limphome 功能便會被激活，電子模塊進入 Limphome 模式，Limphome 電路將立即接管設定的控制功能。隨后如果電子模塊故障解除，Limphome 信號便會無效，Limphome 電路也即自動關閉，控制權將被重新交給電子模塊。

圖10  一種 Limphome 電路設計

3.4 長壽命要求

汽車作為一種特殊的工業消費品，其同時具有大宗消費品及耐用品的雙重屬性。大宗消費品意味著消費者的消費頻次很低，耐用品意味著消費者對其使用壽命要求很高。通常來講，車輛的設計壽命為 10~15 年，行駛里程為 20 萬 ~30 萬 km，乘用車的質保通常是 3 年或 6 萬 km。而實際上一輛現代轎車的使用壽命很容易達到 15 年以上，行駛里程可達 100 萬 km 以上。   

對于車輛設計來講，除易損件外，其他零部件必須做到整車等生命周期，這其中就包括所有的車載電子模塊。除車輛使用壽命和行駛里程外，車輛生命周期還有其他一些維度數據，見表3。

表3   車輛生命周期維度數據對比

長生命周期將帶來兩個問題：一個是電子模塊的壽命問題，一個是電子模塊的長期供貨問題。

3.4.1 電子模塊的壽命

對一輛具體的車來講，長生命周期意味著電子模塊的壽命必須足夠長，即在其壽命內必須可靠工作，且性能不發生劣化，這就意味著：

1. 電子模塊采用的電子元器件壽命必須滿足要求，不能在設計壽命內出現參數及性能劣化。

2. 電子模塊設計時必須考慮元器件壽命老化帶來的參數變化影響，保證電子模塊在其壽命內必須可靠工作。

3. 電子模塊的 DV 測試必須包含長時間的壽命加速試驗，如 1000h 以上的高溫老化試驗，以驗證產品設計。

以電子模塊設計中最常用的電阻器為例，電阻器是電路設計中最常見的一種電子元器件，電阻器按參數可以簡單分為四個維度，即阻值、精度、功率及封裝。在汽車電子模塊設計時，電路計算通常不會按照電阻器的標稱精度進行計算，如 5% 精度的電阻器，通常按照 8% 精度進行計算，這就是考慮了溫度及壽命老化對標稱精度的影響。

3.4.2 電子模塊的長期供貨

對一個車型來講，持續生產時間一般為 5~8 年，有時可長達數十年。而對電子模塊來講，OEM 為降低成本，經常將同一電子模塊用于不同的車型， 所以電子模塊的供貨時間通常遠長于一個車型的生命周期，這就意味著：

1. 電子模塊采用的所有型號的電子元器件，其生命周期要足夠的長，不能 3 年或 5 年就停產，導致需要重新選型或切換供應商。所以元器件的長生命周期是保證供貨連續性的基礎，汽車電子元器件的持續供貨時間通常需要超過 15 年，甚至 20 年以上。

2. 在漫長的車型生命周期內，零部件及車型的變更管理將變得極其重要。在此期間，不管是車型還是電子模塊都會面臨一系列的變更問題，同時由于汽車行業供應鏈極長且復雜，中間會涉及多級供應商的變更，包括原材料、生產工藝、生產場地等，進而帶來產品重新測試驗證及車輛的測試驗證工作。

先解釋幾個汽車行業內的專業名詞：

1. PCN ：Product/Process Change Noti?cation，產品 / 工藝變更通知。

2. PCR ：Product/Process Change Request，產品 / 工藝變更請求。

3. SCR ：Supplier Change Request ，供應商變更請求。

以電子模塊為例，如果用到的一個芯片的生產工藝發生了變更（實際上對電子元器件來講這是經常發生的事情），芯片供應商會發 PCN 給電子模塊供應商，對電子模塊供應商來講，這是一個 SCR。電子模塊供應商在評估后會將其轉化為內部的PCR，即電子模塊的變更，并通知汽車制造商（OEM）。OEM 在收到 SCR 后也會進行評估，并安排對新型號的電子模塊進行測試驗 證，驗證通過后才能切換新型號的電子模塊。

汽車對高可靠性的要求疊加車型的長生命周期，必然帶來汽車行業對零部件長期供貨的穩定性、可靠性及一致性的要求，這就可以解釋為什么汽車行業對變更管理如此重視，以及對變更流程的管控如此嚴格。

3.5 低成本要求

消費者在做購買汽車的決策時，成本是一個重要的考慮因素。而對 OEM 來講，一輛車由上萬個零部件組成，OEM 需要對幾百家供應商進行成本管控，具體到每個汽車零部件的設計，成本就變得尤為重要。

一個電子模塊通常由數百到上千個電子元器件及其他結構件組成，這就意味著電子模塊制造商需要：

1. 在電子模塊項目報價階段，可以根據客戶需求準確預估未來量產的產品價格。

2. 在設計階段能夠精確控制產品的物料成本、設計成本及測試成本。

3. 在量產后能夠很好地控制產品的生產成本。

電子模塊產品通常在設計前期就必須考慮系統方案的成本，設計階段還需要經過幾輪成本導向設計（ Design To Cost ，DTC）迭代，并且在電子模塊生命周期內還要經歷多輪成本優化，其中很重要的一個方法就是通過技術手段進行技術成本優化（Cost Technical Optimization ，CTO），如進行低成本元器件替代，切換元器件供應商，采用新材料、新生產工藝等。

3.6 生產制造可行性要求

汽車作為大批量生產的工業消費品，暢銷車型年產量超過十萬輛、車型生命周期內超過百萬輛是很常見的。而作為零部件的電子模塊，因為存在較多不同車型共用的情況，電子模塊的產量實際上會更大，這就要求電子模塊在設計前期必須考慮大批量生產制造的可行性，汽車行業通常將之稱為可制造性設計（Design for Manufacturability ，DFM ）。

以電子模塊設計為例， DFM 通常需要考慮：

1. 結構件是否便于生產裝配。

2. 是否有相應的工裝、夾具或設備。

3. 是否有特殊工裝或工藝要求。

4. 結構件、連接器是否有防呆設計（如防裝反等）。

5. 產品設計是否會導致生產一致性問題。

6. 殼體卡扣設計在裝配時是否有聽見“咔嗒”聲。

7. 產品下線檢測程序是否可覆蓋產品的全部功能。

3.7 批量一致性要求

電子模塊在大批量且長時間生產過程中，產品的批量一致性顯得尤為重要。批量一致性主要取決于兩方面：一是產品設計方面，二是產品生產方面。電子模塊在設計時就必須考慮大批量生產時的一致性問題，這個主要通過產品設計和生產工藝共同來保證。而在產品量產后，由于產品的頻繁變更帶來的一致性問題則更為復雜和棘手，為此汽車電子行業針對產品變更制定了極為復雜、詳細且嚴格的變更流程及變更規則。

對電子模塊一致性產生影響的變更主要有以下幾個方面：

1. 因電子元器件變更（材料、工藝、場地遷移等）引起的變更。

2. 電子模塊本身設計缺陷引起的變更。

3. 采用新生產工藝引起的變更。

4. 客戶新需求引起的變更。

5. 為滿足新應用的變更。

電子模塊制造商為保證變更前后產品的一致性，需要在變更前充分評估變更帶來的影響，并在變更后進行充分的產品級測試及整車級測試。產品級測試通常包括功能測試及性能測試，測試項目依據變更內容不同差異較大。若變更影響較大，在完成功能測試之外，還需要進行多項性能測試，如高溫運行、低溫運行、耐久測試、電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility， EMC） 測試等。為降低變更成本，通常在產品級測試完成后進行整車級測試。整車級測試的側重點主要在功能測試方面，如無必要，一般不會進行整車級性能測試及實車道路測試。   

04 電子模塊車載應用條件

4.1 滿足車載應用的條件

整體來看，一個電子模塊需要同時滿足以下幾點，才可被認為滿足了基本的車載應用的要求：

1. 采用了汽車電子行業產品開發流程。

2. 采用的電子元器件滿足 AEC 標準。

3. 電子模塊的功能及性能滿足行業標準要求。

4. 電子模塊的功能及性能滿足客戶標準要求。

以汽車電子 V 模型開發流程為例，典型的 V 模型開發流程如圖11 所示。

圖11  典型的汽車電子 V 模型開發流程

V 模型的最重要特點就是每個開發階段都對應一個測試階段，V 模型左側為設計開發，右側即為驗證確認。另外，V 模型是一個高度嚴格的模型，下一階段必須在上一階段完成后才能開始，且每個階段都有特定的可交付成果和審查過程，交付成果包括設計文檔及測試驗證文檔。

4.2 相關的標準體系及流程

汽車電子行業的標準體系、流程及工具如圖12 所示。

圖12  汽車電子行業的標準體系、流程及工具

汽車行業在近百年的發展過程中，出于對產品設計、測試、質量及管理體系標準化的需求，逐漸形成了完善的標準體系及設計制造流程，同時也采用了很多質量工具，以此來規范和指導汽車零部件的設計、制造及車載應用。汽車電子行業的標準、體系及流程眾多，如針對電子元器件的 AEC 標準，針對電子零部件的 ISO 16750 標準，汽車行業質量管理體系的 IATF 16949 標準（2016 年發布，替代原 TS  16949 標準），針對質量的 APQP （Advanced Product Quality Planning） 工具及 PPAP 流程等。

4.3 設計的重要性

汽車行業的各種標準類似于社會的法律，如果一個人遵紀守法，不能說他是一個好人，但他一定不是壞人，因為法律是對人們行為底線的要求。同理，對于汽車電子模塊來講，滿足各種汽車行業標準是車載應用的最基本要求，在此基礎上，決定電子模塊質量和可靠性的，是產品的設計分析、測試驗證及變更管理，其本質是電子模塊制造商的設計、制造及應用經驗的積累，也就是通常說所的 Know-How（訣竅、技巧、專有 知識），如產品的設計分析方法、各種檢查清單（Checklist）、設計準則 （Design Guideline）、測試用例（Test Case）、生產制造工藝、經驗教訓總結（Lessons Learned）等。

如圖13 所示，以汽車電子產品設計中的最差情況電路分析（WCCA） 為例， WCCA 需要覆蓋電路設計中的每一個電路、每一個電子元器件。WCCA 通常考慮兩重情況的疊加，也就是說在考慮最高電壓時，需要同時考慮最高溫度，但不需要再考慮最高負載情況，這就是雙重疊加。不同的溫度和電壓就會產生六種組合，也就是常說的三溫三壓。三溫是指三種溫度：-40℃, +25 ℃, +85 ℃;三壓是指 9V 、13.5V 和 16V（以乘用車 12V 系統、安裝位置在座艙為例）。

圖13  汽車電子設計常用的分析方法

WCCA 有一個測試無法替代的優勢就是它可以根據元器件手冊中的參數及設定的工作條件進行計算，而測試時使用的實際樣品卻無法覆蓋所有的參數范圍，畢竟測試的樣品數量及試驗室設備的測試范圍終歸是有限的，且有些工作條件無法或者很難模擬，而 WCCA 卻可以通過一定的算法計算出來。這就意味著 WCCA 可以覆蓋所有的元器件參數范圍及產品的工作條件，而測試僅可以覆蓋有限的情況；也就是說，WCCA 可以通過計算來分析電子元器件的性能，而最終的測試僅僅是一個確認、 一個結果。

總的來講，一個好的產品首先是設計出來的，測試僅僅是一種驗證手段，其次才是生產，最后才是應用。設計得好，才能生產得好，然后才能用得好。如圖 14 所示，通過設計階段的產品測試可以發現元器件 / 電路的特性或者是缺陷，積累測試數據；通過產品的實際應用則可以發現應用中的問題，積累應用數據，設計就可以進行更新迭代，由第 1 代產品更新為第 2 代產品。長期不斷的迭代后，通過各個環節就可以積累大量的數據及經驗教訓，最后便會形成對這個產品的專有知識，也就是常說的 Know-How。

圖14  設計的迭代及專有知識的積累

05 小結

本章從電子模塊的基礎功能實現入手，介紹了電子模塊的基本設計原理，以及車載應用對電子模塊的嚴苛要求，包括外部環境、電氣及電磁環境、可靠性及安全性要求、壽命要求、成本要求、生產要求等；隨后闡述了汽車電子行業的相關標準、體系及流程，給出了電子模塊滿足車載應用的條件；最后強調了設計對電子模塊的重要性。   

限于本章篇幅，環境要求部分并未展開。實際上，了解車載應用的環境條件對產品設計至關重要，環境條件是真實的物理世界，測試標準是人們對物理世界認知的總結和標準化，以此來規范和約束產品的設計及應用。 

本文摘編自《廣義車規級電子元器件可靠性設計與開發實踐》，機械工業出版社出版