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系统设计师必须了解“设计的各个方面”

发布日期:2020-06-15

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-06-15 21:10:12

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德州仪器(TI)系统工程和市场营销副总裁Keith Ogboenyiya说,系统设计人员面临的最大挑战之一是需要了解设计环境的各个方面。这意味着了解设计问题,例如热管理,时钟注意事项,抗扰性,外壳和封装,印刷电路板(PCB)的完整性以及环境条件。所有这些挑战都会影响半导体和电子元件的选择,电路布局以及成本。


(图* 德州仪器(TI)系统工程和市场营销副总裁Keith Ogboenyiya)



Aspencore编辑最近与Ogboenyiya进行的讨论涵盖了诸如系统设计师的角色日益复杂等主题。工程师需要增加的新旧技术,尤其是在汽车系统中;以及为什么在职培训和指导很重要。他的专业知识**了多个技术领域的发展,包括汽车仪表板,工业电机驱动产品,数字电源,太阳能逆变器系统,车载网络以及其他技术。


另外,系统设计人员需要考虑在其系统中实施新技术以实现所需的功能,但是这种实施可能会对已经使用了五年或十年的电路产生影响。


他说:“您可能需要重新考虑或重新布局,或者可能由于这些新功能的集成而产生整体含义。” “设计人员必须考虑整个系统:不仅要添加新技术,而且对已经存在一段时间的技术的影响可能会带来新的限制和挑战。”


系统设计人员还需要应对在不同应用中再次成为“新”技术的旧技术。


Ogboenyiya解释了为什么高压隔离正在改变整个系统的汽车设计。他告诉我们,高压隔离并不是什么新鲜事物,但随着汽车制造商在高压平台上发布新的电动汽车(EV),它已首次在汽车系统中部署。他说,高压隔离将对汽车行业产生重大影响,工程师应了解这一点。


连同高压隔离一起,车辆架构和一些关键组件(包括CANbus和电流感应)发生了根本变化,这些变化都受到向高压系统迁移的影响。他告诉我们:“现在有许多不同的系统需要隔离,汽车制造商和一级开发人员都在开发这种隔离技术,并了解其对系统的意义。”


同时,系统设计人员还必须考虑到,电动机将在高达400 V和800 V的电压下运行,具体取决于车辆的尺寸和负载量,这转化为将功率驱动至汽车的不同方法。发动机。他解释说,设计人员正在寻找更高效的技术来驱动电机,例如基于碳化硅(SiC)的FET甚至基于氮化镓(GaN)的系统,因为系统设计人员希望以**的功率密度高效地驱动和控制这些电机。


功能安全性以及如何设计安全性也日益增长。Ogboenyiya说,功能安全是整个汽车和工业系统的“大关注点”。


几年前,功能安全主要是汽车以及少数几个汽车系统中讨论的话题,例如安全气囊,制动,底盘控制和稳定性。现在,功能安全已经成为几乎每个汽车系统都普遍关注的话题,而且在工业界中也越来越普遍,在工业中,功能安全在许多不同的系统中变得越来越普遍,他补充说。


工程师还需要继续学习,无论他们刚刚大学毕业还是工作数十年。


Ogboenyiya告诉我们:“您必须将工程过程视为一个连续过程。” “在许多情况下,刚从学校毕业的大学毕业生将具有学校课程中的一些基础知识,但是他们在工作中以及与客户互动中将学到的东西无可替代。”


他还指出,指导对于新工程师来说非常重要,但是随着新技术的引入,指导也是一个持续的学习过程。“尽管指导非常重要,但电气工程领域和客户系统领域中也有新技术和新事物,新老工程师都可以共同学习。”


以下是我们在几个关键主题上的对话的摘录。


EDN主编Richard Quinnell:新兴工程师应该学习什么?也许有一些较旧的技术正在成为他们应该了解的新意义?


Keith Ogboenyiya:我想到了几个。第一个与汽车有关。我们中的许多人都了解与汽车电气化相关的趋势,以及汽车制造商正在发布或计划发布新的电动平台或高压平台的事实。但是有趣的是,对于汽车系统设计人员来说,[这些]一些第一代将需要在车辆中实现高压隔离。


[高压隔离]是一种已经存在的技术,但这是我们第一次真正将其部署在汽车上。一些平台现在发布带有更高电压的电池。我们知道,今天,大多数汽车使用12 V电池供电,但是在过去的几年中,并且将会继续发布的新汽车平台将使用48 V电池。


此外,当您想到的电动汽车平台电压更高,甚至达到400 V和800 V甚至更高的电压时,对于汽车OEM和Tier One而言,隔离就变得更加重要。


这不仅是因为存在高压系统需要以安全方式进行交互的事实,而且还出于安全方面的考虑,涉及车辆驾驶员和系统中的电子设备。通常,无论是用于混合电动汽车(HEV)还是电动汽车(EV)的高压组件,出于功能安全的原因,也出于乘员安全的原因,将底盘隔离。您需要防止直流母线电压和在两点之间流动的不受控制的瞬变,因此在某些系统中,需要保护在12V侧工作的组件免受在48V甚至更高电压下工作的高压组件的影响。高压侧。


它与高压隔离一起,从根本上改变了车辆的结构,以及驱动车辆所需的一些关键部件。


现在有很多不同的系统需要隔离,汽车制造商和一级开发人员都在开发这种隔离技术并了解其对系统的意义。这是一种用于汽车的新技术,将在明年至未来几年普及。


Quinnell 奎内尔:那是我没想到的,但这确实很有意义。


Ogboenyiya:车辆的推进方式还与高压隔离有关。我们考虑了内燃机转向电气系统的情况,但是该电气系统现在由电动机驱动,并且电动机也将在400 V和800 V的高压下运行,具体取决于车辆的尺寸和数量。加载。这也意味着将不同的方法驱动该电机的功率。因此,通常情况下,当我们想到电动机时,不管电动机是汽车,工业还是个人电子设备,电动机都是无处不在的,电动机是基于场效应晶体管驱动的,而场效应晶体管是基于FET的系统,带有控制回路来支持它,因此微控制器,模拟等


当您进入这个高压领域时,现在客户正在考虑实施新技术(更高电压,更高效的技术)来驱动该电动机。您会看到一些客户转向基于SiC的FET,而不是基于硅的FETS,甚至有关于转向基于GaN的系统来驱动这些电机的讨论,因此这是汽车行业的一项基本新技术,我们相信,在我们寻求以**功率密度和**控制来高效驱动这些电机的过程中,无处不在。


电子产品主编Gina Roos:当您谈论系统从硅转移到SiC甚至是GaN时,它们何时会做出这种改变,是否需要额外注意其他事项,例如热管理,EMI ,以及布局?


Ogboenyiya:**可以。当您转向其中一些更高级的功率FET技术时,发生的一件简单的事情就是开关频率可以更高,并且随着开关频率变得更高,会有一些好处。例如,无源组件可能变小,这会对功率密度产生积极影响,因此布局可能会发生变化。但是,随着布局的变化,还存在与大电流靠拢相关的影响,这些影响会影响EMI和噪声,因此必须考虑抗噪设计。同样,当您使用更高的电压和更高的电流时,散热**变得很重要。因此,我认为这与工程师多年来已经看到的一些问题仍然相关。


由于我刚才强调的某些原因,EMI和抗扰性将一直是一个问题,但除此之外,无论是汽车还是工业系统,电气含量都增加了。随着添加更多电子设备,添加的系统也会产生静磁场或有源磁场,因此,例如,电动机,抗干扰性以及如何进行设计将成为系统设计人员的严峻挑战。


Roos:随着您将更多的组件集成到一个狭小的空间中,产品正在萎缩,并且需要更高级别的集成,是否存在挑战?工程师面临的最大挑战是什么?


Ogboenyiya:有一定的挑战。半导体供应商一直在寻求通过创新的片上系统(SoC)集成技术解决这些问题的方法,但是对于客户而言,仍然存在系统级挑战。雷达感应就是一个很好的例子。我将雷达传感描述为一种非常创新的技术,可以满足广泛的应用。


我们(TI)拥有毫米波(mmWave)雷达传感器技术,该技术既可用于汽车行业,也可用于工厂系统(例如工厂自动化),通常,这是一项非常困难的系统集成挑战,需要单独完成-模拟前端,数据转换器,天线,处理,时钟和时序-都在狭窄的空间内,并且都必须相互交互,这给设计带来了艰巨的挑战。TI的mmWave技术集成了该技术,使客户可以更轻松地开发这些类型的系统。


但是设计挑战开始改变,现在客户必须考虑一下位置,例如,为了获得**的角度测量而定位传感器,并获得系统中的精确时序,他们可能会同时使用多个不同的传感器考虑到时钟因素,抗扰性以及如何管理散热和功耗,因此这些挑战仍然存在于系统中。


另一个挑战将是,在许多情况下,客户正在开发的这些PCB可能处于恶劣的环境中。因此,例如,我们谈论了很多有关智能工厂以及工厂系统中已引入的其他技术的信息。这些工厂可能是尘土飞扬或烟尘污染的工厂;环境光可能很暗。因此,在这些系统中,他们不仅要考虑电气相互作用,还必须考虑如何管理系统的外壳和包装,以确保在系统的整个生命周期内都具有坚固性。


Quinnell:听起来正在发生的事情是工程师需要对设计的所有不同方面有所了解,因为他们之间的互动非常多。您提到了外壳和包装以及设计环境。这对电子设计师的实际设计决策有何影响?他们在选择组件并布局电路时是否需要做出包装方面的决策?


Ogboenyiya:我将在包装方面给一个例子。让我们以汽车为例。在车辆电气化的推动中,不仅涉及牵引逆变器和高压电机控制,还涉及到电动汽车的发展。您还可以看到机械系统,使用基于皮带的系统,然后转向电动机。而且这些系统可能位于车辆难以接近的位置,而且振动量大且温度受到严格限制。


因此,设计工程师不仅需要考虑如何确保系统的正确功能,还需要从包装的角度考虑是否可以承受一定程度的振动(有时会导致剪切和包装应力),以及是否需要考虑这种问题。可能会导致PCB内部翘曲。不仅从电子功能上,而且从设计,热管理和PCB完整性的角度来看,系统都需要考虑多种不同的考虑因素。


Roos:您是否有课程或内部培训来帮助这些工程师理解诸如热管理,EMI,安全功能,风险评估之类的问题?


Ogboenyiya:好问题。您必须将工程过程视为一个连续体。在许多情况下,刚从学校毕业的大学毕业生将具有一些在学校课程中学习的基础知识,但是他们在工作中以及与客户互动中将学到的东西无可替代。


第二,我们确实有行业专家。例如,我们TI的专家已经从事电源管理设计数十年。因此,您可以认为这几乎是一个指导过程,以确保新加入的工程师可以向一些高级专家学习,也可以通过结构化学习来学习。因此,我不认为这是培训,但这是一个结构化的过程,通过该过程我们可以使工程师进入这些特定学科和重点领域。我坚信,在职学习是无可替代的。当您使用客户系统并开始开发产品并将其推向市场时,从解决实际客户问题中获得的学习专业知识将使工程师得到适当的提高。


|作者:Gina Roos  06.15.2020 

|文章来源:EDN




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