電動汽車整車控制器PCB設(shè)計(jì)

王春鳳，陳宇新

（北汽集團(tuán)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(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；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(jì)、電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)及電磁兼容設(shè)計(jì)同時(shí)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(jì)品質(zhì)決定了電路板的熱性能、EMC性能及可靠性，同時(shí)為了避免設(shè)計(jì)的反復(fù)及資源的浪費(fèi)，需要在正向設(shè)計(jì)過程中對結(jié)構(gòu)、布局、布線等諸多因素進(jìn)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(jì)中，PCB電子組件密度比以前高了很多，同時(shí)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(jì)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(jī)技術(shù)開發(fā)的智能混合動力車輛控制器，具有強(qiáng)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(jì)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(jì)出高品質(zhì)的PCB板，需要在設(shè)計(jì)前期對元器件功耗、散熱能力、抗干擾能力及最大負(fù)載量等數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)者分析出最優(yōu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，減少反復(fù)設(shè)計(jì)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(jì)

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(jìn)行管理、調(diào)度、分析和運(yùn)算，針對車型的不同配置，進(jìn)行相應(yīng)的能量管理，實(shí)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(jì)PCB部分進(jìn)行設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享。

2.1 PCB設(shè)計(jì)輸入

VMS PCB設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，散熱處理不當(dāng)，會對元器件的工作壽命造成嚴(yán)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(jì)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(jì)數(shù)據(jù)

圖2 殼體

圖3 殼體散熱片位置

2.2 PCB繪制準(zhǔn)備工作

1）元器件封裝設(shè)計(jì)

元器件封裝設(shè)計(jì)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(jì)的成熟案例及手工焊接的經(jīng)驗(yàn)值。

PCB封裝庫設(shè)計(jì)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(jì)算及板層劃分

根據(jù)選定外殼進(jìn)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(zhǔn)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(jì)

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(jì)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(jì)，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(diǎn)是：①電源層和搭鐵線層緊密耦合，壓差變化最小；②每個(gè)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(gè)搭鐵層（GND1和GND2）相鄰，可以用來傳輸高速信號。兩個(gè)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(jì)［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(jì)

正式設(shè)計(jì)前，需對設(shè)計(jì)依據(jù) （表2）進(jìn)行一一調(diào)研，計(jì)算最佳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并錄入設(shè)計(jì)軟件中，在繪制過程中，按照設(shè)計(jì)好的規(guī)則直接進(jìn)行設(shè)計(jì)限制。

表2 VMS_PCB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

除上述數(shù)據(jù)外，設(shè)計(jì)規(guī)則還包括機(jī)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(jì)，可以開始進(jìn)行關(guān)鍵的layout工作。設(shè)計(jì)過程主要有以下原則貫穿走線設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)完成。

圖10 PCB設(shè)計(jì)完成

6）設(shè)計(jì)輸出

將完成的PCB設(shè)計(jì)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(jì)失效問題分析

3.1 散熱設(shè)計(jì)問題

通過熱分析摸底實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(xiàng)測試，測試出電源正極發(fā)射量在595kHz處超出標(biāo)準(zhǔn)要求限值1dB。通過原理修改解決該問題。超標(biāo)狀態(tài)見圖12。

圖12 超標(biāo)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 熱性能驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)在公司實(shí)驗(yàn)部門完成，為期5天。實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(jī)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。圖15為實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)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(fù)載箱，可以模擬VMS在實(shí)車上所連接的負(fù)載情況。

經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，經(jīng)過合理的布局和設(shè)計(jì)，本次電路板上元器件的最大溫升小于10℃，是符合設(shè)計(jì)需求的。

圖15 溫度測試系統(tǒng)

4.2 EMC性能驗(yàn)證

參考現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC性能驗(yàn)證，主要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)布置圖示例。

圖16 實(shí)驗(yàn)布置圖示例

驗(yàn)證結(jié)論：共檢2套樣機(jī)，檢測EMC 7項(xiàng)，7項(xiàng)測試均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

為避免PCB設(shè)計(jì)的多次反復(fù)與較低的可靠性，應(yīng)在設(shè)計(jì)前期做足設(shè)計(jì)依據(jù)準(zhǔn)備工作，如全面分析輸入條件、參考國內(nèi)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)有理有據(jù)等，這樣可以從PCB設(shè)計(jì)的角度最大限度地規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷。本文在板級設(shè)計(jì)中對PCB正向開發(fā)過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，旨在闡述通過有效優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(dá)到較好的預(yù)期。并且通過實(shí)驗(yàn)證明，此次EMC及熱設(shè)計(jì)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?。粡?fù)雜的電子系統(tǒng)現(xiàn)在還有可能被塞進(jìn)發(fā)動機(jī)艙、儀表板、座椅等狹小空間中。

因此，在PCB板級設(shè)計(jì)過程中，有效進(jìn)行熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)用意義。