基于六西格瑪設計的PWM 信號控制電路設計應用

費幫國，吳 軍，蔣先慶

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206）

近年來，汽車電子化水平不斷提升，市場對汽車電子產(chǎn)品的需求日益增長。為了盡快搶占市場，全球各大OEM廠商，通過加快汽車智能電子產(chǎn)品的開發(fā)進度，縮短開發(fā)周期，以期盡快將產(chǎn)品投放市場。而如何在較短的周期內(nèi)，花費較低的成本，設計出一款客戶滿意的產(chǎn)品，這就需要運用科學的方法進行開發(fā)與設計。六西格瑪設計方法，作為一種穩(wěn)健高效的設計方法，在主流整車廠商與零部件供應商中已獲得了廣泛認可。

1 六西格瑪設計簡介

六西格瑪設計（Design for Six Sigma，簡稱DFSS），重點致力于把關注焦點從設計后期的維護修改轉(zhuǎn)移到設計前期的主動防御，它是一種工程開發(fā)過程，以滿足客戶對于產(chǎn)品品質(zhì)、性能的期望，同時保證低成本［1］。六西格瑪設計方法分為識別與計劃（Identify）、定義要求（Define）、開發(fā)概念（Development）、優(yōu)化設計（Optimization）、確認和實施（Verify）5個階段，簡稱IDDOV［2］，具體如下。

1）Identify，識別與計劃。識別與計劃階段的目標是為確保任務成功完成而開發(fā)計劃。

2）Define，定義要求。定義要求階段的目標是建立一套使客戶滿意的合理的功能指標。其主要過程是通過調(diào)研收集客戶呼聲，分析客戶數(shù)據(jù)，并將客戶呼聲轉(zhuǎn)化為相關的工程指標。

3）Development，開發(fā)。開發(fā)階段的目標是建立最好的設計方案，滿足定義要求階段所確定的功能，同時滿足其他業(yè)務目標。

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

5）Verify，確認和實施。確認和實施的目的是確認項目是否達到預期目標。

2 基于六西格瑪設計的PWM信號控制電路設計實例

PTC（Positive Temperature coefficient），即正溫度系數(shù)電阻，用于車輛空調(diào)系統(tǒng)的輔助加熱。對于傳統(tǒng)的燃油車，其空調(diào)的熱源來自于發(fā)動機的冷卻水。但是，對于冬天嚴寒地區(qū)，僅依賴汽車發(fā)動機的冷卻水，是無法滿足客戶對于空調(diào)系統(tǒng)舒適性要求的，特別是發(fā)動機排量較小的車輛。因此，需要PTC作為空調(diào)熱量不足的補充，以提升客戶的舒適性。另外，在PTC模塊的控制方式上，采用的是具有很強抗噪性的PWM信號控制，這提升了功能安全的可靠性。下面以自動空調(diào)控制器的PWM信號控制電路設計為例，來說明六西格瑪設計在電子硬件設計中的應用。

2.1 識別機會（Identify）

識別機會階段，需要識別產(chǎn)品或者開發(fā)過程存在的問題，并提出新的設計需求。在自動空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)過程中，整車空調(diào)系統(tǒng)性能試驗認證團隊發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度-10℃情況下，車輛發(fā)動機冷卻水提供給空調(diào)系統(tǒng)的熱量，不足以支持空調(diào)的加熱性能，無法滿足客戶的舒適性要求，存在的抱怨有以下3點：①剛上車時，車內(nèi)空調(diào)制熱不夠快；②發(fā)動機運行一段時間后，車內(nèi)空調(diào)不夠暖；③車輛運行一段時間后，車內(nèi)空調(diào)忽冷忽暖，自動調(diào)節(jié)舒適性差。

為避免上述抱怨發(fā)生，滿足空調(diào)加熱性能的認證要求，經(jīng)產(chǎn)品開發(fā)團隊PDT研究決定：基于當前發(fā)動機冷卻水溫/水量的實際情況，增加PTC模塊；同時，為使PTC模塊能夠自動穩(wěn)定地工作，自動空調(diào)控制器需新增PTC控制信號電路?？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滿意的合理的功能指標。為滿足客戶（PTC開發(fā)團隊）對PTC模塊自動穩(wěn)定工作的接口定義要求，將其需求分解成相應的可實現(xiàn)的工程需求規(guī)范。同時，將需求分解成工程開發(fā)指標，具體參數(shù)見表1。

表1 用戶類型及對應要求

如何滿足表1中的需求規(guī)范，確保“自動空調(diào)控制器的PWM驅(qū)動信號控制PTC擋位準確，頻率穩(wěn)定可靠”，通過對工程指標逐一分析得出，對于PWM控制信號的頻率，是由控制器的主MCU提供，存在變差的可能性較小。而對于PWM控制信號的占空比精度、最大低電壓幅值兩個工程指標，對PTC擋位準確控制存在較大影響，設計時需要重點關注。

1）PWM控制信號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（考慮到三極管的導通電壓會受溫度影響，通常為0.7V 即可），即Ube≥1V，確保三極管Q3處于導通工作狀態(tài)。因此，自動空調(diào)控制器輸出的PWM控制信號的低電平的電壓幅值U ≤［VDD-Ube-UR18］=［VDDUbe-Ube×（R18/R89）］=5-1-1×（1.1/1）≌3V，即自動空調(diào)控制器輸出的PWM控制信號的低電平的電壓幅值U≤3V。

2）PWM控制信號占空比精度要求

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%，否則會出現(xiàn)跳擋至PTC OFF，導致PTC不工作問題發(fā)生。因此將PWM控制信號占空比精度要求設定為<3%。

表2 PWM占空比與擋位對應關系

2.3 開發(fā)（Development）

2.3.1 PWM信號控制電路方案

開發(fā)階段，產(chǎn)品開發(fā)團隊針對PTC控制信號電路的設計，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，具體可參見圖3、圖4、圖5。

圖4 分立式PWM信號控制電路1

圖5 分立式PWM信號控制電路2

圖3集成式PWM信號控制原理圖，通過自動空調(diào)控制器MCU輸出PWM信號，控制低邊集成電路芯片TLE7233G處理后，輸出PTC PWM控制信號，從而自動控制PTC工作擋位。同時，也可通過TLE7233G的SPI通信，對功能輸出端口進行診斷檢測（開路、短路）。

圖4分立式PWM信號控制電路1，通過自動空調(diào)控制器MCU輸出PWM信號，控制三極管的開啟與關閉以及控制PTC工作擋位，通過捕獲PTC端口PWM波狀態(tài)，來實現(xiàn)端口診斷檢測（開路、短路）。

圖5分立式PWM信號控制電路2，是通過自動空調(diào)控制器MCU輸出的PWM信號，來控制三極管的開啟與關閉以及PTC工作擋位，通過采集PTC端口電壓值來實現(xiàn)端口診斷檢測（開路、短路）。

2.3.2 PWM信號控制電路方案選擇

開發(fā)階段，運用Pugh概念分析法進行概念選擇。分別對集成式PWM信號控制電路（簡稱A）、分立式PWM信號控制電路1（簡稱B）、分立式PWM信號控制電路2（簡稱C），分別從電路簡易程度、成本、開發(fā)周期、控制性能、元件利用效率、風險、電路占PCB空間7個維度，進行了2輪平衡比較，如圖6所示。其中“+”表示性能較優(yōu)，記為5分，“-”代表性能指標較差，記為1分，“S”與對性能指標相當，記為3分。通過Pugh對已有的概念方案進行選擇，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

電路簡易程度方面，A、B、C都較簡單；成本方面，A涉及到單獨的集成電路芯片TLE7233G，成本較高，B、C成本相對低廉；開發(fā)周期方面，A、B、C都相差無幾；控制性能方面，A的PWM控制性能最優(yōu)，而B需要通過優(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涉及到單獨的集成電路芯片TLE7233G有4路PWM控制輸入端，而本項目應用到的低邊PWM信號控制路數(shù)只有2路，元件利用效率低；開發(fā)風險方面，C的軟件診斷邏輯較為復雜，容易引入新的問題，并且難以優(yōu)化解決，風險較高；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從成本、PCB空間、軟件的復雜程度上優(yōu)于C。因此，產(chǎn)品開發(fā)團隊最終選擇最佳方案為B，即分立式方案1。

2.4 優(yōu)化設計（Optimization）

針對已選擇的分立式PWM信號控制電路1，可滿足初始設定的目標，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信號輸出的可靠性與穩(wěn)定性有所下降，存在無法滿足工程目標的風險。為確保信號可靠穩(wěn)定輸出，經(jīng)過產(chǎn)品開發(fā)團隊評估，可選擇端口ESD電容、限流電阻作為控制因子，對PWM信號輸出電路進行進一步優(yōu)化。其中，優(yōu)化端口ESD電容，可提升實際占空比精度；優(yōu)化端口限流電阻，可降低PWM信號低電平幅值，具體見表3。

表3 工程指標優(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，響應為PWM控制信號輸出，空調(diào)出風口溫度自動調(diào)節(jié)。

將端口電容C2、端口電阻R7設定為控制因子，如圖8所示?？刂埔蜃雍退皆O定為3個，參見表4；對于噪音因子地漂，選取經(jīng)驗最大值，設定為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，對地漂移電壓U地=1.2V，計算PWM信號的最大低電平電壓值為ULmax=1.74V<2V，占空比精度為0.08%<2%，C2容值上限值計算得C2≤37nF，也就是說C2的電容取值不能超過37nF，否則就會使得占空比精度超過2%。由此可得其它控制因子組合，無法滿足要求。

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

2.5 確認（Verify）

對所選擇的AB Level1組合，進行實際電路測試，并確認是否達到預設的工程目標。經(jīng)實際測試，有效低電平的電壓值為0.3V，考慮地漂1.2V，共計1.5V<2V，能夠確保PTC模塊電路中的三極管Q3始終處于導通狀態(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間與延遲上升到有效高電平時間差，經(jīng)測試確認：PWM輸出信號下降為有效低電平的延時時間為7μs，PWM輸出信號上升到有效高電平的延時時間為16.4μs，因此，對占空比的精度值為（16.4-7）/（1/150）×106×100%≈0.14%<2%，可以滿足精度要求。

圖8 PTC控制電路

2.6 六西格瑪設計的優(yōu)勢

六西格瑪設計的優(yōu)勢主要有以下4個方面：①強調(diào)價值與客戶思維，設計方案的選取來源于對客戶需求的深層次分析；②一種可實施有重點的方法，通過各個維度對比，篩選出最佳設計方案，并對其重點研究并實施；③更廣泛的參與性，該活動是以小組的形式開展，成員各司其職，有一定的參與深度與廣度；④明智地應用技術，通過對最佳方案再進行深度優(yōu)化，可以做到優(yōu)中選優(yōu)［3］。因此，基于六西格瑪設計嚴謹?shù)腎DDOV流程，最終獲得了自動空調(diào)控制器PTC信號電路最佳組合設計，且成本最優(yōu)。

3 結(jié)論

本文以自動空調(diào)控制器PTC PWM控制信號電路的設計為例，運用六西格瑪設計的IDDOV流程方法，開發(fā)了滿足客戶需求的PTC控制信號電路，而且優(yōu)化了成本、開發(fā)周期，提升了電子模塊零件的開發(fā)品質(zhì)，體現(xiàn)了六西格瑪設計的在產(chǎn)品開發(fā)方面的優(yōu)越性，在汽車電子模塊開發(fā)上值得推廣與應用。