費(fèi)幫國(guó)，吳 軍，蔣先慶

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201206）

近年來(lái)，汽車(chē)電子化水平不斷提升，市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)電子產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)。為了盡快搶占市場(chǎng)，全球各大OEM廠商，通過(guò)加快汽車(chē)智能電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，縮短開(kāi)發(fā)周期，以期盡快將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。而如何在較短的周期內(nèi)，花費(fèi)較低的成本，設(shè)計(jì)出一款客戶(hù)滿(mǎn)意的產(chǎn)品，這就需要運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。六西格瑪設(shè)計(jì)方法，作為一種穩(wěn)健高效的設(shè)計(jì)方法，在主流整車(chē)廠商與零部件供應(yīng)商中已獲得了廣泛認(rèn)可。

1 六西格瑪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

六西格瑪設(shè)計(jì)（Design for Six Sigma，簡(jiǎn)稱(chēng)DFSS），重點(diǎn)致力于把關(guān)注焦點(diǎn)從設(shè)計(jì)后期的維護(hù)修改轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)前期的主動(dòng)防御，它是一種工程開(kāi)發(fā)過(guò)程，以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)、性能的期望，同時(shí)保證低成本［1］。六西格瑪設(shè)計(jì)方法分為識(shí)別與計(jì)劃（Identify）、定義要求（Define）、開(kāi)發(fā)概念（Development）、優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimization）、確認(rèn)和實(shí)施（Verify）5個(gè)階段，簡(jiǎn)稱(chēng)IDDOV［2］，具體如下。

1）Identify，識(shí)別與計(jì)劃。識(shí)別與計(jì)劃階段的目標(biāo)是為確保任務(wù)成功完成而開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

2）Define，定義要求。定義要求階段的目標(biāo)是建立一套使客戶(hù)滿(mǎn)意的合理的功能指標(biāo)。其主要過(guò)程是通過(guò)調(diào)研收集客戶(hù)呼聲，分析客戶(hù)數(shù)據(jù)，并將客戶(hù)呼聲轉(zhuǎn)化為相關(guān)的工程指標(biāo)。

3）Development，開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)階段的目標(biāo)是建立最好的設(shè)計(jì)方案，滿(mǎn)足定義要求階段所確定的功能，同時(shí)滿(mǎn)足其他業(yè)務(wù)目標(biāo)。

4）Optimization，優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是確定設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)，確保在各種操作條件下有一致的性能。

5）Verify，確認(rèn)和實(shí)施。確認(rèn)和實(shí)施的目的是確認(rèn)項(xiàng)目是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2 基于六西格瑪設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)實(shí)例

PTC（Positive Temperature coefficient），即正溫度系數(shù)電阻，用于車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的輔助加熱。對(duì)于傳統(tǒng)的燃油車(chē)，其空調(diào)的熱源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水。但是，對(duì)于冬天嚴(yán)寒地區(qū)，僅依賴(lài)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水，是無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)舒適性要求的，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)排量較小的車(chē)輛。因此，需要PTC作為空調(diào)熱量不足的補(bǔ)充，以提升客戶(hù)的舒適性。另外，在PTC模塊的控制方式上，采用的是具有很強(qiáng)抗噪性的PWM信號(hào)控制，這提升了功能安全的可靠性。下面以自動(dòng)空調(diào)控制器的PWM信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)為例，來(lái)說(shuō)明六西格瑪設(shè)計(jì)在電子硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 識(shí)別機(jī)會(huì)（Identify）

識(shí)別機(jī)會(huì)階段，需要識(shí)別產(chǎn)品或者開(kāi)發(fā)過(guò)程存在的問(wèn)題，并提出新的設(shè)計(jì)需求。在自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)認(rèn)證團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度-10℃情況下，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水提供給空調(diào)系統(tǒng)的熱量，不足以支持空調(diào)的加熱性能，無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)的舒適性要求，存在的抱怨有以下3點(diǎn)：①剛上車(chē)時(shí)，車(chē)內(nèi)空調(diào)制熱不夠快；②發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，車(chē)內(nèi)空調(diào)不夠暖；③車(chē)輛運(yùn)行一段時(shí)間后，車(chē)內(nèi)空調(diào)忽冷忽暖，自動(dòng)調(diào)節(jié)舒適性差。

為避免上述抱怨發(fā)生，滿(mǎn)足空調(diào)加熱性能的認(rèn)證要求，經(jīng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)PDT研究決定：基于當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫/水量的實(shí)際情況，增加PTC模塊；同時(shí)，為使PTC模塊能夠自動(dòng)穩(wěn)定地工作，自動(dòng)空調(diào)控制器需新增PTC控制信號(hào)電路?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 PTC功能控制原理

2.2 定義要求（Define）

定義要求階段，需要建立一套使客戶(hù)滿(mǎn)意的合理的功能指標(biāo)。為滿(mǎn)足客戶(hù)（PTC開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)）對(duì)PTC模塊自動(dòng)穩(wěn)定工作的接口定義要求，將其需求分解成相應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)的工程需求規(guī)范。同時(shí)，將需求分解成工程開(kāi)發(fā)指標(biāo)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 用戶(hù)類(lèi)型及對(duì)應(yīng)要求

如何滿(mǎn)足表1中的需求規(guī)范，確?！白詣?dòng)空調(diào)控制器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制PTC擋位準(zhǔn)確，頻率穩(wěn)定可靠”，通過(guò)對(duì)工程指標(biāo)逐一分析得出，對(duì)于PWM控制信號(hào)的頻率，是由控制器的主MCU提供，存在變差的可能性較小。而對(duì)于PWM控制信號(hào)的占空比精度、最大低電壓幅值兩個(gè)工程指標(biāo)，對(duì)PTC擋位準(zhǔn)確控制存在較大影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

1）PWM控制信號(hào)低電平電壓幅值要求

圖2 PTC模塊接口電路

圖2為PTC模塊接口電路，為了讓三極管Q3的基極與射極間至少有1V的電壓差（考慮到三極管的導(dǎo)通電壓會(huì)受溫度影響，通常為0.7V 即可），即Ube≥1V，確保三極管Q3處于導(dǎo)通工作狀態(tài)。因此，自動(dòng)空調(diào)控制器輸出的PWM控制信號(hào)的低電平的電壓幅值U ≤［VDD-Ube-UR18］=［VDDUbe-Ube×（R18/R89）］=5-1-1×（1.1/1）≌3V，即自動(dòng)空調(diào)控制器輸出的PWM控制信號(hào)的低電平的電壓幅值U≤3V。

2）PWM控制信號(hào)占空比精度要求

如表2所示，基于PTC控制模塊各擋位的占空比定義，特別是3擋情況下，由于占空比最大值為95%，可得占空比精度要小于（0.98-0.95）/0.98×100%=3%，否則會(huì)出現(xiàn)跳擋至PTC OFF，導(dǎo)致PTC不工作問(wèn)題發(fā)生。因此將PWM控制信號(hào)占空比精度要求設(shè)定為<3%。

表2 PWM占空比與擋位對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 開(kāi)發(fā)（Development）

2.3.1 PWM信號(hào)控制電路方案

開(kāi)發(fā)階段，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)PTC控制信號(hào)電路的設(shè)計(jì)，分別提出了集成式電路、分立式電路1、分立式電路2，共3種方案，具體可參見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖4 分立式PWM信號(hào)控制電路1

圖5 分立式PWM信號(hào)控制電路2

圖3集成式PWM信號(hào)控制原理圖，通過(guò)自動(dòng)空調(diào)控制器MCU輸出PWM信號(hào)，控制低邊集成電路芯片TLE7233G處理后，輸出PTC PWM控制信號(hào)，從而自動(dòng)控制PTC工作擋位。同時(shí)，也可通過(guò)TLE7233G的SPI通信，對(duì)功能輸出端口進(jìn)行診斷檢測(cè)（開(kāi)路、短路）。

圖4分立式PWM信號(hào)控制電路1，通過(guò)自動(dòng)空調(diào)控制器MCU輸出PWM信號(hào)，控制三極管的開(kāi)啟與關(guān)閉以及控制PTC工作擋位，通過(guò)捕獲PTC端口PWM波狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)端口診斷檢測(cè)（開(kāi)路、短路）。

圖5分立式PWM信號(hào)控制電路2，是通過(guò)自動(dòng)空調(diào)控制器MCU輸出的PWM信號(hào)，來(lái)控制三極管的開(kāi)啟與關(guān)閉以及PTC工作擋位，通過(guò)采集PTC端口電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)端口診斷檢測(cè)（開(kāi)路、短路）。

2.3.2 PWM信號(hào)控制電路方案選擇

開(kāi)發(fā)階段，運(yùn)用Pugh概念分析法進(jìn)行概念選擇。分別對(duì)集成式PWM信號(hào)控制電路（簡(jiǎn)稱(chēng)A）、分立式PWM信號(hào)控制電路1（簡(jiǎn)稱(chēng)B）、分立式PWM信號(hào)控制電路2（簡(jiǎn)稱(chēng)C），分別從電路簡(jiǎn)易程度、成本、開(kāi)發(fā)周期、控制性能、元件利用效率、風(fēng)險(xiǎn)、電路占PCB空間7個(gè)維度，進(jìn)行了2輪平衡比較，如圖6所示。其中“+”表示性能較優(yōu)，記為5分，“-”代表性能指標(biāo)較差，記為1分，“S”與對(duì)性能指標(biāo)相當(dāng)，記為3分。通過(guò)Pugh對(duì)已有的概念方案進(jìn)行選擇，綜合考慮產(chǎn)品的功能、成本和制造等因素。

圖6 PUGH矩陣分析

電路簡(jiǎn)易程度方面，A、B、C都較簡(jiǎn)單；成本方面，A涉及到單獨(dú)的集成電路芯片TLE7233G，成本較高，B、C成本相對(duì)低廉；開(kāi)發(fā)周期方面，A、B、C都相差無(wú)幾；控制性能方面，A的PWM控制性能最優(yōu)，而B(niǎo)需要通過(guò)優(yōu)化輸出電容與電阻值，提升PWM輸出性能，否則可能受地漂影響后性能略差；元件利用效率方面，A涉及到單獨(dú)的集成電路芯片TLE7233G有4路PWM控制輸入端，而本項(xiàng)目應(yīng)用到的低邊PWM信號(hào)控制路數(shù)只有2路，元件利用效率低；開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)方面，C的軟件診斷邏輯較為復(fù)雜，容易引入新的問(wèn)題，并且難以?xún)?yōu)化解決，風(fēng)險(xiǎn)較高；電路占PCB空間方面，B、C都較大，A占用PCB空間較小。

綜上可得，A由于成本太高，可考慮直接排除。而B(niǎo)從成本、PCB空間、軟件的復(fù)雜程度上優(yōu)于C。因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)最終選擇最佳方案為B，即分立式方案1。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimization）

針對(duì)已選擇的分立式PWM信號(hào)控制電路1，可滿(mǎn)足初始設(shè)定的目標(biāo)，即低電平電壓幅值約等于3，占空比精度約等于3%。但此電路未充分考慮噪音干擾方面的影響，在有地漂的干擾下，PWM信號(hào)輸出的可靠性與穩(wěn)定性有所下降，存在無(wú)法滿(mǎn)足工程目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。為確保信號(hào)可靠穩(wěn)定輸出，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)評(píng)估，可選擇端口ESD電容、限流電阻作為控制因子，對(duì)PWM信號(hào)輸出電路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。其中，優(yōu)化端口ESD電容，可提升實(shí)際占空比精度；優(yōu)化端口限流電阻，可降低PWM信號(hào)低電平幅值，具體見(jiàn)表3。

表3 工程指標(biāo)優(yōu)化

如圖7所示，空調(diào)輔助加熱控制系統(tǒng)參數(shù)中，端口ESD電容、端口限流電阻作為控制因子，地漂為噪音因子，響應(yīng)為PWM控制信號(hào)輸出，空調(diào)出風(fēng)口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

將端口電容C2、端口電阻R7設(shè)定為控制因子，如圖8所示?？刂埔蜃雍退皆O(shè)定為3個(gè)，參見(jiàn)表4；對(duì)于噪音因子地漂，選取經(jīng)驗(yàn)最大值，設(shè)定為1.2V。

圖7 控制系統(tǒng)參數(shù)圖

控制因子組合選擇：選取控制因子組合C2=10nF，R7=68Ω，對(duì)地漂移電壓U地=1.2V，計(jì)算PWM信號(hào)的最大低電平電壓值為ULmax=1.74V<2V，占空比精度為0.08%<2%，C2容值上限值計(jì)算得C2≤37nF，也就是說(shuō)C2的電容取值不能超過(guò)37nF，否則就會(huì)使得占空比精度超過(guò)2%。由此可得其它控制因子組合，無(wú)法滿(mǎn)足要求。

綜合以上可得，AB Level1組合，即C2=10nF，R7=68Ω，可以滿(mǎn)足工程的優(yōu)化目標(biāo)，由此得出最佳的PTC信號(hào)控制電路如圖8所示。

2.5 確認(rèn)（Verify）

對(duì)所選擇的AB Level1組合，進(jìn)行實(shí)際電路測(cè)試，并確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的工程目標(biāo)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，有效低電平的電壓值為0.3V，考慮地漂1.2V，共計(jì)1.5V<2V，能夠確保PTC模塊電路中的三極管Q3始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

表4 控制因子和水平

是否影響占空比的精度，取決于延遲下降到有效低電平時(shí)間與延遲上升到有效高電平時(shí)間差，經(jīng)測(cè)試確認(rèn)：PWM輸出信號(hào)下降為有效低電平的延時(shí)時(shí)間為7μs，PWM輸出信號(hào)上升到有效高電平的延時(shí)時(shí)間為16.4μs，因此，對(duì)占空比的精度值為（16.4-7）/（1/150）×106×100%≈0.14%<2%，可以滿(mǎn)足精度要求。

圖8 PTC控制電路

2.6 六西格瑪設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

六西格瑪設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要有以下4個(gè)方面：①?gòu)?qiáng)調(diào)價(jià)值與客戶(hù)思維，設(shè)計(jì)方案的選取來(lái)源于對(duì)客戶(hù)需求的深層次分析；②一種可實(shí)施有重點(diǎn)的方法，通過(guò)各個(gè)維度對(duì)比，篩選出最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其重點(diǎn)研究并實(shí)施；③更廣泛的參與性，該活動(dòng)是以小組的形式開(kāi)展，成員各司其職，有一定的參與深度與廣度；④明智地應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)對(duì)最佳方案再進(jìn)行深度優(yōu)化，可以做到優(yōu)中選優(yōu)［3］。因此，基于六西格瑪設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腎DDOV流程，最終獲得了自動(dòng)空調(diào)控制器PTC信號(hào)電路最佳組合設(shè)計(jì)，且成本最優(yōu)。

3 結(jié)論

本文以自動(dòng)空調(diào)控制器PTC PWM控制信號(hào)電路的設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)的IDDOV流程方法，開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足客戶(hù)需求的PTC控制信號(hào)電路，而且優(yōu)化了成本、開(kāi)發(fā)周期，提升了電子模塊零件的開(kāi)發(fā)品質(zhì)，體現(xiàn)了六西格瑪設(shè)計(jì)的在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)越性，在汽車(chē)電子模塊開(kāi)發(fā)上值得推廣與應(yīng)用。