汽車電子設(shè)計中的Worst Case理論計算及應(yīng)用實例

　　1 什么是Worst Case

　　在汽車電子的應(yīng)用中，為了保證我們的設(shè)計能滿足汽車的環(huán)境要求和可靠性要求，需要在設(shè)計階段充分考慮實際應(yīng)用中的極端情況，即電路模型的Worst Case。從PCB外部來講，主要考慮環(huán)境影響及信號的動態(tài)輸入，一般涉及以下因素：

　　• 環(huán)境溫度的高低極值;
　　• 輸入信號的電平范圍;
　　• 電源的極端情況等。

　　從PCB內(nèi)部來講，主要考慮元器件的誤差、壽命以及安全工作范圍等，一般涉及以下因素：

　　• 電源模塊(LDO或DCDC)的誤差;
　　• 各元器件(如電阻/電容)個體特性對標(biāo)稱值的偏差;
　　• 各元器件安全工作時能承受的最大電壓/電流，等等。

　　從單片機(jī)的角度，主要考慮內(nèi)部電路的誤差及安全工作條件等，一般涉及以下因素：

　　• 單片機(jī)安全工作時管腳能承受的最大電壓/電流等;
　　• 模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的誤差;
　　• 時鐘基準(zhǔn)的偏差，等等。

　　由于電路設(shè)計及單片機(jī)的多樣性，極端情況及相應(yīng)的計算也會有所不同。下面我們將以幾顆飛思卡爾單片機(jī)為例，介紹和單片機(jī)密切相關(guān)的幾項Worst Case計算。

　　2 S12ZVM的特性及主要應(yīng)用

　　S12ZVM是最新的16位單片機(jī)，基于S12Z內(nèi)核，片內(nèi)集成了線性電壓調(diào)節(jié)器、總線收發(fā)器以及三相電機(jī)的預(yù)驅(qū)動電路，可以直接驅(qū)動外部MOS陣列。S12ZVM用于汽車12V系統(tǒng)的各種BLDC控制模塊，如水泵、油泵等，可以有效地節(jié)省PCB面積，并幫助用戶降低成本。

　　3 對蓄電池電壓的采樣

　　很多車載設(shè)備需要對蓄電池電壓進(jìn)行實時采樣，有些整車廠商要求在全溫度范圍(-40～+125℃)內(nèi)誤差控制在5%以內(nèi)。

　　3.1 基于傳統(tǒng)單片機(jī)的蓄電池電壓采樣精度分析

　　圖1描述了基于傳統(tǒng)單片機(jī)的控制器結(jié)構(gòu)，圖中LDO為12V-5V的線性電源，MCU為不集成線性電源的單片機(jī)(如S12G)，蓄電池電壓為12V。為了對蓄電池電壓作采樣，通常的辦法是用分壓電阻R1和R2，使得R2的壓降在MCU可采樣的范圍(如0～5V)內(nèi)。此時MCU的電源VDD和ADC的參考電壓均來自LDO的輸出。

　　該采樣電路的誤差來自三個方面，分別是分壓網(wǎng)絡(luò)誤差(來自R1和R2)、ADC參考電壓誤差(來自LDO)、以及ADC的量化誤差(來自ADC模塊本身)。這里ADC模塊的誤差一般為+/-3 counts(以10位ADC分辨率，LQFP48封裝為例，詳見S12G數(shù)據(jù)手冊)，這里可以忽略不計。假定我們選擇在全溫度范圍內(nèi)精度1%的電阻和精度2%的LDO，則分壓電路誤差為1% + 1% = 2%，總誤差為2% + 2% = 4%，滿足5%的要求。

　　3.2 基于S12ZVM電源電壓采樣精度分析

　　圖2描述了基于S12ZVM的控制器結(jié)構(gòu)，蓄電池電壓為12V，S12ZVM內(nèi)部集成了MCU以及12V-5V的LDO。為了對蓄電池電壓作采樣，S12ZVM內(nèi)部集成了分壓網(wǎng)絡(luò)(等效為R1和R2)。此時MCU的電源VDDX和ADC的參考電壓均來自內(nèi)部LDO的輸出。

　　與圖1類似，該采樣電路的總誤差為分壓網(wǎng)絡(luò)誤差(來自R1和R2)、ADC參考電壓誤差(來自LDO)、以及ADC的量化誤差(來自ADC模塊本身)。這里ADC的誤差為+/-3 counts(10位ADC分辨率)，可以忽略不計;