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汽车应用领域典型概念解析

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随着新能源车市场的发展,这个领域的应用越来越多,诸如新能源汽车OBC,车载无线充电,车载储能逆变器等,为了很好地理解这些应用,我们对一些典型概念做一些梳理和解释。


.ISO26262的解释

首先解释一下ISO26262,它是汽车行业功能安全的国际标准,它主要适用于汽车的电子电气系统,包括硬件组件和软件组件。它定义了汽车相关产品在开发过程中,用到的安全相关的功能和及流程,方法和工具等需要满足的要求。ISO26262这个标准,可以确保整车在整个生命周期中,达到或者保持足够的安全水平。


这个标准之所以这么重要,是因为它为汽车制造商(OEM)和供应商等,提出了诸多的益处,如下图1所示。

1 ISO26262标准的重要性说明


从上述说明中,我们可以看出ISO26262在确保产品安全,保持产品竞争优势,避免人身伤害及产品避免失败,提高公司声誉,产品国际化等方面都有着重要的作用。


2 典型的功能安全服务项目


2是从功能安全服务商TUV网站上给出的典型功能安全服务,主要是系统安全评估,流程评估,风险危害评估,开发过程安全分析,开发接口协议评估等。


二.汽车产品认证标准AECQ

AEC是汽车电子协会的简称,即Automotive Electronics Council,它是由美国克莱斯勒,通用,福特等为了建立的一套零件资质及质量系统标准而设置的协会,由主要的汽车制造商和零组件的制造商组成。这个协会以车载电子器件的可靠性,及认定标准的规格化为目的,它建立了一个完善的质量控制标准。符合AEC认证的零部件均可被多家车厂使用,这也就促进了零部件厂商交换产品特性数据的意愿,推动了汽车零件向通用性发展。


在新能源汽车市场的推动下,半导体分立器件,尤其是诸如SiC mosfetSiC diode等的应用普遍增加,那么这些器件要进入这个市场,必须要通过一个认证,那就是AECQ101认证。

3 需要通过AEC-Q101认证的半导体分立器件1


4 需要通过AEC-Q101认证的半导体分立器件2


我们从图34中不难看出,典型的Si基的半导体功率器件,或者宽禁带功率器件,或者常见的MOSFET,二极管,三极管,IGBT等的汽车应用场合,都需要通过这个测试标准。


5 AEC-Q101认证的主要项目


从图5我们可知,除了半导体分立器件需要满足的AEC-Q101应力测试标准之外,还有一系列的分项测试标准文件,细节如上所示。


接下来,我们再聊一下另外一个常见的标准,那就是针对车用集成电路芯片的应力测试应用规范AEC-Q100测试标准。它于19946月首次发表,目前已经是汽车电子行业的通用标准。


AEC-Q100认证规定了一系列的测试群组,如下,

测试群组A,环境压力加速测试,Accelerated Environment Stress

测试群组B,使用寿命模拟测试,Accelerated Lifetime Simulation

测试群组C,封装组装整合测试,Package Assembly Integrity

测试群组D,芯片晶元可靠度测试,Die Fabrication Reliability

测试群组E,电气特性确认测试,Electrical Verification

测试群组F,瑕疵筛选监控测试,Defect Screening

测试群组G,封装凹陷整合测试,Cavity Package Integrity

 

为区分汽车产品对工作温度,耐久性,可靠度的不同的标准要求,AEC-Q100又分为不同的产品温度等级,如下参考,

6 AEC-Q100不同温度等级定义


其中1级工作温度是车载应用普遍的温度标准,针对-40-125C范围工作的器件,器件的电气规范在此温度范围内均是确保的,而非车载器件,通常仅仅在常温下确保器件的特性参数。


另外值得提醒的是,一般来说,汽车器件的合规要求和生产验证有关,任何IC在生产测试前,都需要进行一系列的使用寿命,可靠性,电气等的验证测试,这比商业级和工业级器件要严格地多。


例如,不同温度等级,会有不同的质量要求,其中0级,即-40-150C的温度等级要求最为严格,一般适用于传动系统或者引擎盖下的应用。这种严格的测试,可以确保汽车产品在恶劣环境中长时间的寿命和可靠地使用。逐步地,一些工业应用也会选择汽车认证的器件,如工业储能应用中的器件。2或者3等级,用于车厢信息娱乐或者通信处理应用等。


7 AEC-Q100认证的相关测试项目


AEC-Q100认证的相关项目如图7中给出,供参考。这里说明一下,AEC-Q100要求器件能够承受2000VHBM人体放电模式,在边角上能够承受750V的带电器件模式(CDM,在其它引脚上能够承受500V的电压。


AEC-Q104主要是针对车用多芯片模块(MCM,Multi-Chip Module)的可靠性测试,它是AECQ家族中是较新的汽车电子测试规范,接下来我们就看看AEC-Q104主要认证哪些项目。


由于MCM在汽车上是复合环境,因此增加顺序实验,如必须要先执行完高温使用实验HTOL,High Temp Operating Life测试,才能做TS,Thermal Shock测试.针对MCM增加了H系列的测试项,此外,也增加了器件本身的可靠性测试,Component Level Reliability,也增加了Thermal Shock,及外观监视离子迁移,VISM测试。


AEC-Q104的规范中,共分为A-H 8个系列。一般来说,当MCM上的所有组件,包括被动元件,分立器件,IC等在组合前已经通过了相应的AECQ测试,那么只需要进行AEC-Q104H7项测试,如下所述,


TCT-温度循环测试,

Drop-跌落测试,

Low Temperature Storage Life-低温存储寿命测试,

Startup and Temperature Steps-启动和温度步长测试,


X-ray测试,

Acoustic Microscopy-声学显微镜测试

Destructive Physical-破坏性物理分析


如果组合前的器件未通过相应的AECQ测试,那么MCM需要完成49A-H的测试项目,时间较长。


另外,再说明一下汽车用的被动元件如电阻,电容,电感等需要满足的测试标准,AEC-Q200,Stress Test Qualification for Passive Component。它包含的认证对象主要如下图8所示,其中常用的石英晶体也包含在内。

8 AEC-Q200认证对象


在图9中给出了典型的无源元件,及其对应的温度认证范围,及其在车上的应用案例。


9 AEC-Q200认证温度范围和案例说明


相关的无源元件测试项目说明如下,


10 AEC-Q200认证的测试项目


另外,还有针对离散光电LED产品测试的标准AEC-Q102,汽车传感器应力测试标准AEC-Q103,这里我们不做详细描述,有兴趣可自行查询。


.ASIL等级说明

ASIL等级,是指Automotive Safety Integration Level,汽车安全完整性等级,是用于描述系统能够实现指定安全目标的概率高低。ASIL具有四个等级,A,B, C, D, 其中A为最低等级,D为最高等级。


ASIL的等级分解,是将安全目标和安全等级逐步落实到下级子系统的过程。影响ASIL等级的三个主要要素是,严重度-Severity,暴露率-Exposure,可控性-Controllability


11 ASIL几个要素的说明及案例



12 关于SIL的解释


对于满足一定SIL等级的器件而言,它实际上仅仅是和安全功能有关的,是指系统能够实现高达SILx的安全功能。

13 典型的汽车组件ASIL等级

上图13中给出了典型的汽车零组件的功能安全ASIL等级供参考。


.AUTOSAR架构的说明

AUTOSAR架构,即Automotive Open System Architecture,汽车开放系统架构,这个联盟成立于2003年,是由全球的汽车制造商(宝马、博世、大陆、戴姆勒、福特、通用、PSA、丰田、大众),组件供应商,半导体和软件系统公司共同成立,联盟成员保持汽车行业开发合作关系。


此机构致力于为汽车中的控制装置ECU,开发一个开放的,标准的软件架构。AUTOSAR的目标主要有,建立独立于硬件的软件分层架构,为实施应用提供方法 论(指定无缝的软件架构堆叠流程,并将应用软件整合至ECU,制定各种车辆应用接口规范,作为应用软件整合标准,以便软件架构在不同汽车平台复用。


其软件分层设计,以中间件RTE(Run Time Environment)为界,隔离上层的应用层(Application Layer),和下层的基础软件(Basic Software)。


截至20203月,AUTOSAR已经拥有了57家高级成员、50家开发成员、142家普通成员以及20家观察员公司及机构,包括全球各大主流整车厂、一级供应商、标准软件供应商、开发工具和服务提供商、半导体供应商、高校和研究机构等。许多中国厂商也是AUTOSAR联盟成员,例如长城、东风、一汽、上汽、吉利、蔚来、拜腾、宁德时代等。


不过,比较特殊的是Tesla却没有加入这个联盟。



14 汽车控制器的发展


OEM为了使同一套系统和部件能够用在不同车型上,同一辆车上的来自不同供应商的部件可以相互兼容,供应商希望开发出来的部件,可以通过简单的更改调整供给不同的OEM.


这便是AUTOSAR的初衷,即通过提升OEM以及供应商之间软件模块的可复用性和可互换性,来改进对复杂汽车电子电气架构的管理。


15 AUTOSAR的主要措施



16 AUTOSAR的主要目标


17 当前的经典AUTOSAR软件架构(R21-11


18 AUTOSAR各个层的定义


19 经典AUTOSAR平台的解释


.汽车供应链品质管理标准IATF16949



20 IATF16949标准说明


IATF16949标准是国际汽车工作组发布的,用于规范汽车行业质量管理的标准,是全球通用的汽车行业质量管理标准。


21 IATF16949认证限制及标准来源说明


IATF16949基于ISO9001标准,又增加了汽车行业的特殊要求,它对其认证企业的资格有着严格的限定,如上图21中所示,仅限于整车厂和汽车零组件供应商。


22 IATF16949的五大工具说明1


23 IATF16949的五大工具说明2


.典型汽车产品命名说明



24 汽车推荐产品的说明


对于推荐为汽车应用的产品,不仅仅通过了AEC-Q100的认证,并且在设计,开发,生产中确保其强壮,质量,可靠性等。材料选择,零失效控制,超过规格书需要的测试可以减小潜在失效风险。另外,在更改控制上也对整个产品生命周期做了质量和可靠性保证,同时,用户可以基于定制化的产品料号进行定制化的质量控制。


25 对推荐汽车应用的产品的说明


Microchip官网上可以看到对Recommended for Automotive的说明,它代表了可获得的满足标准的具有最新的特性和技术的产品。但是也有一些普通的产品,不带这个标志但是也可以用于汽车应用。



26 汽车料号的说明


上述截图中可以看到对于带VAO的料号,可以被任何一个汽车客户所购买,是不需要PPAP的标准汽车料号。 但是对于推荐为汽车应用的产品都是可以有一个PPAP的文件的,如果客户需要PPAP文件,那么就需要一个定制料号,并且会提供PSWPPAP。如果产品发生变更,那么客户会收到这个料号的更改通知。


27 VAO和定制汽车料号示例参考

28 PPAP的概念解释

29 PSW的概念解释

图28对PPAP进行了解释,它是一个生产批准程序,包含对生产件和散装料的生产件批准的一般要求。从图29百度百科来看,PSW是随PPAP一起提交给客户的,表示对零件质量保证的一个文件。

总结,通过简要介绍和总结汽车行业相关概念和标准要求,主要对汽车零组件的需要通过的各种认证做了详细的介绍,其它方面如ISO26262,AUTOSARIATA16949,ASIL等级等做了简要的介绍,作为对汽车行业产品的一个入门的理解。最后对典型单片机料号的汽车料号做了一个简要说明。


参考文献:

IATF 16949:2016汽车行业体系标准 - 知乎 (zhihu.com)

汽车开放系统架构(AUTOSAR)是什么 - 知乎 (zhihu.com)

Classic Platform -AUTOSAR

https://www.tuvsud.cn/zh-cn/industries/mobility-and-automotive/automotive-and-oem/iso-26262-functional-safety


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来源:电源漫谈
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首次发布时间:2022-09-19
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