汽车电子设计中的Worst Case理论计算及应用实例

　　1 什么是Worst Case

　　在汽车电子的应用中，为了保证我们的设计能满足汽车的环境要求和可靠性要求，需要在设计阶段充分考虑实际应用中的极端情况，即电路模型的Worst Case。从PCB外部来讲，主要考虑环境影响及信号的动态输入，一般涉及以下因素：

　　• 环境温度的高低极值;
　　• 输入信号的电平范围;
　　• 电源的极端情况等。

　　从PCB内部来讲，主要考虑元器件的误差、寿命以及安全工作范围等，一般涉及以下因素：

　　• 电源模块(LDO或DCDC)的误差;
　　• 各元器件(如电阻/电容)个体特性对标称值的偏差;
　　• 各元器件安全工作时能承受的最大电压/电流，等等。

　　从单片机的角度，主要考虑内部电路的误差及安全工作条件等，一般涉及以下因素：

　　• 单片机安全工作时管脚能承受的最大电压/电流等;
　　• 模数转换(ADC)的误差;
　　• 时钟基准的偏差，等等。

　　由于电路设计及单片机的多样性，极端情况及相应的计算也会有所不同。下面我们将以几颗飞思卡尔单片机为例，介绍和单片机密切相关的几项Worst Case计算。

　　2 S12ZVM的特性及主要应用

　　S12ZVM是最新的16位单片机，基于S12Z内核，片内集成了线性电压调节器、总线收发器以及三相电机的预驱动电路，可以直接驱动外部MOS阵列。S12ZVM用于汽车12V系统的各种BLDC控制模块，如水泵、油泵等，可以有效地节省PCB面积，并帮助用户降低成本。

　　3 对蓄电池电压的采样

　　很多车载设备需要对蓄电池电压进行实时采样，有些整车厂商要求在全温度范围(-40～+125℃)内误差控制在5%以内。

　　3.1 基于传统单片机的蓄电池电压采样精度分析

　　图1描述了基于传统单片机的控制器结构，图中LDO为12V-5V的线性电源，MCU为不集成线性电源的单片机(如S12G)，蓄电池电压为12V。为了对蓄电池电压作采样，通常的办法是用分压电阻R1和R2，使得R2的压降在MCU可采样的范围(如0～5V)内。此时MCU的电源VDD和ADC的参考电压均来自LDO的输出。

　　该采样电路的误差来自三个方面，分别是分压网络误差(来自R1和R2)、ADC参考电压误差(来自LDO)、以及ADC的量化误差(来自ADC模块本身)。这里ADC模块的误差一般为+/-3 counts(以10位ADC分辨率，LQFP48封装为例，详见S12G数据手册)，这里可以忽略不计。假定我们选择在全温度范围内精度1%的电阻和精度2%的LDO，则分压电路误差为1% + 1% = 2%，总误差为2% + 2% = 4%，满足5%的要求。

　　3.2 基于S12ZVM电源电压采样精度分析

　　图2描述了基于S12ZVM的控制器结构，蓄电池电压为12V，S12ZVM内部集成了MCU以及12V-5V的LDO。为了对蓄电池电压作采样，S12ZVM内部集成了分压网络(等效为R1和R2)。此时MCU的电源VDDX和ADC的参考电压均来自内部LDO的输出。

　　与图1类似，该采样电路的总误差为分压网络误差(来自R1和R2)、ADC参考电压误差(来自LDO)、以及ADC的量化误差(来自ADC模块本身)。这里ADC的误差为+/-3 counts(10位ADC分辨率)，可以忽略不计;