王春鳳，陳宇新

（北汽集團越野車研究院，北京 101300）

1 緒論

汽車的高可靠性對于廣大的用戶來說，有著極其重要的意義，特別是在一些關(guān)鍵應(yīng)用場合，汽車的故障將可能招致災(zāi)難性的后果。確保汽車具有高可靠性，是每一家汽車生產(chǎn)制造廠商所必須追求的。

汽車電子設(shè)備中廣泛使用了PCB電子線路板。PCB板即Printed Circuit Board的簡寫，中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。PCB設(shè)計應(yīng)遵循相應(yīng)的行業(yè)標準；應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的環(huán)境中長期正常工作；應(yīng)與造型設(shè)計、電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性設(shè)計及電磁兼容設(shè)計同時考慮。在保證電氣性能和可靠性要求的前提下，權(quán)衡分析，折中解決。由于PCB設(shè)計品質(zhì)決定了電路板的熱性能、EMC性能及可靠性，同時為了避免設(shè)計的反復(fù)及資源的浪費，需要在正向設(shè)計過程中對結(jié)構(gòu)、布局、布線等諸多因素進行全面考慮，以保證產(chǎn)品在正常使用條件下能正?？煽康毓ぷ?。在許多現(xiàn)代汽車電子硬件設(shè)計中，PCB電子組件密度比以前高了很多，同時功率密度和安全性能要求也相應(yīng)有了增加，因此對設(shè)計的可靠性提出了更高的要求。

電動汽車VMS（Vehicle Management System，整車控制系統(tǒng)）相當(dāng)于汽車的大腦，它是基于最新的汽車專用單片機技術(shù)開發(fā)的智能混合動力車輛控制器，具有強大的整車系統(tǒng)層的能量管理、轉(zhuǎn)矩管理和安全管理等功能。VMS的可靠性對整車的可靠性將產(chǎn)生巨大的影響，而高品質(zhì)的PCB設(shè)計是確?？刂破骶哂懈呖煽啃缘年P(guān)鍵內(nèi)容之一。

為了保證設(shè)計出高品質(zhì)的PCB板，需要在設(shè)計前期對元器件功耗、散熱能力、抗干擾能力及最大負載量等數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，從而指導(dǎo)設(shè)計者分析出最優(yōu)設(shè)計數(shù)據(jù)及狀態(tài)，減少反復(fù)設(shè)計次數(shù)，節(jié)約開發(fā)成本并縮短開發(fā)周期。

2 整車控制器PCB設(shè)計

VMS是電動汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動作。VMS采集駕駛員駕駛意圖和車輛狀態(tài)，通過CAN總線對網(wǎng)絡(luò)信息進行管理、調(diào)度、分析和運算，針對車型的不同配置，進行相應(yīng)的能量管理，實現(xiàn)整車驅(qū)動控制、能量優(yōu)化控制、制動回饋控制和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。以下僅針對VMS硬件設(shè)計PCB部分進行設(shè)計經(jīng)驗分享。

2.1 PCB設(shè)計輸入

VMS PCB設(shè)計輸入包含：SCH原理圖、原理圖封裝庫、芯片手冊、原理圖更新情況說明、控制器外殼結(jié)構(gòu)。

1）SCH原理圖 （圖1）

2）功能劃分

根據(jù)功能塊劃分，VMS接口分類信息見表1。

3）殼體結(jié)構(gòu)

殼體采用某零部件公司成熟控制器純金屬殼體，插接件選用Tyco xxx型號，如圖2所示。

VMS由于受汽車使用環(huán)境和安置位置的影響，要求每個元器件都能在－40～105℃的環(huán)境溫度下正常工作，因此在散熱方面需充分結(jié)合結(jié)構(gòu)件的散熱優(yōu)勢，對熱量產(chǎn)出較高的元器件選擇最佳散熱通道。當(dāng)整塊電路板工作在高溫環(huán)境下時，散熱處理不當(dāng)，會對元器件的工作壽命造成嚴重影響，而汽車產(chǎn)品的可靠性是10～15年，由此看來，除了要合理選擇元器件 （汽車等級），還要合理散熱，以保證控制器的長期可靠性使用。純金屬外殼最大程度地保證了有效散熱及較高的EMC性能，這款外殼設(shè)計了散熱通道，可選擇在此處放置功率輸出較大的器件。如圖3所示。

表1 VMS PCB設(shè)計數(shù)據(jù)

圖2 殼體

圖3 殼體散熱片位置

2.2 PCB繪制準備工作

1）元器件封裝設(shè)計

元器件封裝設(shè)計的合理性對硬件PCB生產(chǎn)的可行性、焊接／維修易操作性、硬件可靠性及美觀程度均有非常重要的作用，因此，除了參考元器件本身的datasheet文件以外，還需借鑒封裝設(shè)計的成熟案例及手工焊接的經(jīng)驗值。

PCB封裝庫設(shè)計完成后，在原理圖工程下完成原理圖封裝庫與PCB封裝庫的關(guān)聯(lián)，即可在空的PCB工程下完成對應(yīng)封裝的導(dǎo)入工作。如圖4所示。

2）電路板尺寸計算及板層劃分

根據(jù)選定外殼進行PCB外形繪制，需充分考慮安裝的可行性，板邊與外殼間距預(yù)留1～2mm；考慮到定位的準確性，定位孔與定位柱間的間隙不宜過大，該板預(yù)留0.5mm，所有接觸面禁止銅箔接觸。如圖5所示。

圖4 封裝設(shè)計

圖5 電路板尺寸

由于電動汽車的EMC性能比傳統(tǒng)汽車要求更高，電子模塊的設(shè)計在成本允許的前提下均要做到最優(yōu)，此版控制器硬件結(jié)構(gòu)采用6層板設(shè)計，分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 層疊排列

這種層疊劃分的優(yōu)點是：①電源層和搭鐵線層緊密耦合，壓差變化最?。虎诿總€信號層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有效隔離，不易發(fā)生串?dāng)_；③Signal和兩個搭鐵層（GND1和GND2）相鄰，可以用來傳輸高速信號。兩個搭鐵層可以有效地屏蔽外界對信號層的干擾和信號層對外界的干擾。

3）網(wǎng)表導(dǎo)入及布局設(shè)計［2］

原理圖檢查無誤后將原理圖生成網(wǎng)表文件，可導(dǎo)入PCB工程中，首次導(dǎo)入網(wǎng)表的PCB工程界面，元器件是密集排列且無規(guī)律的，需根據(jù)功能塊定義及信號走向完成初步的布局排列。接口功能劃分見圖7，初版PCB布局見圖8。

圖7 接口功能劃分

圖8 初版PCB布局

4）規(guī)則設(shè)計

正式設(shè)計前，需對設(shè)計依據(jù) （表2）進行一一調(diào)研，計算最佳設(shè)計數(shù)據(jù)并錄入設(shè)計軟件中，在繪制過程中，按照設(shè)計好的規(guī)則直接進行設(shè)計限制。

表2 VMS_PCB設(shè)計數(shù)據(jù)

除上述數(shù)據(jù)外，設(shè)計規(guī)則還包括機械邊緣與銅簿間距、拐角行駛、鋪銅方式等。規(guī)則錄入見圖9。

圖9 規(guī)則錄入

5） 電路繪制［3］

由于前期已經(jīng)做好了大量的鋪墊設(shè)計，可以開始進行關(guān)鍵的layout工作。設(shè)計過程主要有以下原則貫穿走線設(shè)計始終：①遵循信號走向即線路走向原則；②遵循濾波電路布局／走線按照原理設(shè)計思路；③重要信號及高速信號在內(nèi)層signal走線，做鋪銅處理；④鋪銅禁止形成環(huán)、孤島、天線；⑤空間允許的情況盡可能留出設(shè)計冗余；⑥所有線路、鋪銅不留直角；⑦參考芯片Datesheet建議。圖10為PCB設(shè)計完成。

圖10 PCB設(shè)計完成

6）設(shè)計輸出

將完成的PCB設(shè)計版圖生成gerber文件，配備相應(yīng)的生產(chǎn)要求文件，輸入給PCB生產(chǎn)廠商，完成電路板生產(chǎn)。

3 設(shè)計失效問題分析

3.1 散熱設(shè)計問題

通過熱分析摸底實驗，電源芯片發(fā)熱量為最大，高于環(huán)境溫度9.2℃，低于要求最高溫度僅0.8℃，通過調(diào)整散熱通道走線，實現(xiàn)散熱功能優(yōu)化后，該處發(fā)熱量溫升降低到8.5℃。如圖11所示。

圖11 散熱處理修改前后對比

3.2 濾波不徹底

在EMC傳導(dǎo)發(fā)射 （CE）項測試，測試出電源正極發(fā)射量在595kHz處超出標準要求限值1dB。通過原理修改解決該問題。超標狀態(tài)見圖12。

圖12 超標狀態(tài)

根據(jù)測試問題，在電源輸入端加共模電感，對修改后的電路板再次進行摸底測試，在595kHz處整改和整改后比較，降低6dB，其電路圖和實際測試圖如圖13、圖14所示。

圖13 原理修改圖

圖14 復(fù)測曲線

4 實驗驗證

4.1 熱性能驗證

該實驗在公司實驗部門完成，為期5天。實驗方式為：將鉑電阻、熱電偶等傳感器固定在電路板表面，放置于溫箱內(nèi)，傳感器遠端外接于溫度數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀將傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳到上位機完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計及存儲，生成溫度曲線；在溫箱內(nèi)測試環(huán)境溫度較低的條件下，借助紅外熱成像儀輔助進行溫度數(shù)據(jù)采集。圖15為實際搭建的實驗平臺，觀測多組溫度條件下VMS重要元器件的溫升情況。

圖15中的Load-Box是針對VMS開發(fā)的負載箱，可以模擬VMS在實車上所連接的負載情況。

經(jīng)過多組實驗測試，包括12V、24V系統(tǒng)，滿載、半載不同工況下的各溫度循環(huán)實驗，大量實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，經(jīng)過合理的布局和設(shè)計，本次電路板上元器件的最大溫升小于10℃，是符合設(shè)計需求的。

圖15 溫度測試系統(tǒng)

4.2 EMC性能驗證

參考現(xiàn)行國際標準進行EMC性能驗證，主要的實驗項目包括：輻射發(fā)射測試、傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測試、大電流注入測試、輻射抗擾度測試、瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試、信號線傳導(dǎo)抗擾度測試和靜電放電測試。圖16為實驗布置圖示例。

圖16 實驗布置圖示例

驗證結(jié)論：共檢2套樣機，檢測EMC 7項，7項測試均符合標準要求。

5 結(jié)論

為避免PCB設(shè)計的多次反復(fù)與較低的可靠性，應(yīng)在設(shè)計前期做足設(shè)計依據(jù)準備工作，如全面分析輸入條件、參考國內(nèi)及行業(yè)標準、設(shè)計數(shù)據(jù)有理有據(jù)等，這樣可以從PCB設(shè)計的角度最大限度地規(guī)避設(shè)計缺陷。本文在板級設(shè)計中對PCB正向開發(fā)過程進行詳細闡述，旨在闡述通過有效優(yōu)化設(shè)計、布局、規(guī)則制定、走線方案等方面證明，通過合理有效的正向開發(fā)思路，可以達到較好的預(yù)期。并且通過實驗證明，此次EMC及熱設(shè)計是有效的。

電子設(shè)備的發(fā)展趨勢為：熱耗上升化，設(shè)備小巧化，環(huán)境多樣化，而汽車電子的工作環(huán)境會更為苛刻。由于汽車中的電子產(chǎn)品越來越多，因此容納這些系統(tǒng)的空間越來越??；復(fù)雜的電子系統(tǒng)現(xiàn)在還有可能被塞進發(fā)動機艙、儀表板、座椅等狹小空間中。

因此，在PCB板級設(shè)計過程中，有效進行熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，并與電磁兼容和電磁干擾相互兼顧，是提高設(shè)備工作可靠性的關(guān)鍵措施；可以大大減少重復(fù)設(shè)計次數(shù)，減少工程師工作量，對于提高產(chǎn)品的整體性能和降低產(chǎn)品的成本具有更為普遍的實用意義。