上(shang)海2015年6月29日電 /美通社/ -- 電子設(she)計(ji)自動化(hua)技術的(de)領(ling)導(dao)廠商 Mentor Graphics 近日發布(bu)一份題為《什么在冒煙(yan)？汽車(che)系統與線束設(she)計(ji)的(de)自動短路(lu)試(shi)驗》的(de)研究報告。

正文：

1. 報告作者: Mike Stamper, Mentor Automotive
2. 背景：
   防止汽車線束發生災難性過載，是一條關鍵的設計準則。設計師必須確保熔斷策略能保護線路。這個過程一般涉及人工計算每條線的較大負荷，然后將結果與多年前創建的電子表進行比較。
3. 全文要點與大綱如下：
   a. 概述
   b. 分析和模擬
   c. 怎么辦？
   d. 選對工具，輕松上手
   e. 你可以這樣做
   f. 問題早發現，多省錢
   g. 不再需要原型
   h. 保險絲熔斷時間 vs. 電線冒煙特性
   i. 小結

概述

防止汽車線束發生災(zai)難性過載(zai)，是一條(tiao)關鍵(jian)的設(she)計(ji)準則。設(she)計(ji)師必須確保熔斷(duan)策略能保護線路(lu)。這個(ge)過程一般涉及人(ren)工計(ji)算每(mei)條(tiao)線的較大負荷，然后將結果與(yu)多年前創(chuang)建的電子表進(jin)行比(bi)較。

這個(ge)過程由于其人工性質(zhi)而(er)極易出錯。你可能發現報(bao)警(jing)，也確實有情(qing)況，但汽車和(he)飛機(ji)卻仍在正常行駛和(he)飛行。原因如下：

1. 電路處于過保護狀態。由于大部分設計過程的人工性質，設計師往往過于謹慎；這意味著所采用的電線比實際負荷所需的更粗。
2. 物理測試。制作出造價高昂的物理原型，由測試工程師對設計進行物理測試，以確保電路受到保護。這既費時間又費金錢，而且往往處于設計過程的后期階段，導致因這項測試而帶來的設計變更的代價十分高昂。
3. 工程師和設計師聰明無比。很多設計的確延續了很多年。歷史告訴他們哪些有用，哪些沒用——但我們必須提出這樣的問題：這是較有效的設計方式嗎？

分析和模擬

在談到電路保(bao)護(hu)時，我們經常聽到“模(mo)擬(ni)”和“分析”這兩個詞。雖然模(mo)擬(ni)往往被(bei)譽為線(xian)(xian)束(shu)保(bao)護(hu)設(she)計(ji)的(de)(de)救星，但卻很少實施，而(er)如(ru)果實施的(de)(de)話，會造成過程中的(de)(de)巨大瓶(ping)頸。首先，必須由一名訓練有素、技(ji)術高超(chao)的(de)(de)專家來創建復雜的(de)(de)模(mo)型，運行模(mo)擬(ni)，然后分析結(jie)果。接著(zhu)，結(jie)果被(bei)反(fan)饋給線(xian)(xian)束(shu)工程團隊(dui)，而(er)他們則必須根據往往既(ji)復雜又難懂(dong)的(de)(de)圖表和結(jie)果做出決定(ding)。

在以這種方式進行模擬時總是會缺少的一項重要信息是汽車的實際配置。并非所有負荷都存在于所有汽車上。以一輛可選配導航系統的汽車為例。要進行哪種模擬，帶導航還是不帶導航？讓我們將選配天窗添加到組合中：現在，你有2² = 4種車型要模擬。當加入更多選配內容后，可以看到，模擬組合的數字升至2ⁿ，其中，n=選配件(jian)的數量。

對于專業從事電(dian)機模(mo)(mo)型(xing)和(he)線路模(mo)(mo)型(xing)創建(jian)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬和(he)建(jian)模(mo)(mo)專家來說，數十億種汽(qi)車(che)組合的(de)(de)(de)復雜性超(chao)出了任何模(mo)(mo)擬的(de)(de)(de)范圍。即便(bian)(bian)你能(neng)運行如(ru)此之(zhi)多(duo)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬，也沒(mei)有(you)足(zu)夠的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)，來解讀所(suo)有(you)形成(cheng)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬圖(tu)表(biao)(biao)，以便(bian)(bian)在(zai)車(che)輛投入量產前進(jin)行有(you)意義(yi)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)變更。設(she)計(ji)到制(zhi)造的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)一年(nian)年(nian)縮短；沒(mei)有(you)時(shi)間(jian)(jian)以這種方式進(jin)行模(mo)(mo)擬，這迫使設(she)計(ji)師不得不根據電(dian)子表(biao)(biao)格中(zhong)或(huo)紙質的(de)(de)(de)歷(li)史(shi)查詢表(biao)(biao)來選擇(ze)電(dian)線和(he)保(bao)險絲的(de)(de)(de)規格。假如(ru)沒(mei)有(you)人工錯誤，設(she)計(ji)師通常最后完成(cheng)的(de)(de)(de)是(shi)一種過(guo)保(bao)護設(she)計(ji)，導致成(cheng)本(ben)和(he)重量增加。

怎么辦？

解決這(zhe)一難題(ti)的(de)(de)(de)方(fang)法是，利(li)用這(zhe)些模擬(ni)專(zhuan)家(jia)的(de)(de)(de)專(zhuan)長，使每位工(gong)程(cheng)師都能對(dui)他們的(de)(de)(de)設(she)計(ji)(ji)進(jin)行分析，并提供快速(su)而有(you)意義(yi)的(de)(de)(de)反饋。通過(guo)抓(zhua)住(zhu)電線和(he)保險絲尺寸(cun)規格(ge)準則（這(zhe)是你的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)知識產權），我們相信，你的(de)(de)(de)設(she)計(ji)(ji)工(gong)具(ju)會(hui)讓你的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)師知道(dao)是否有(you)問(wen)(wen)題(ti)。分析工(gong)具(ju)應對(dui)汽車進(jin)行分析，向工(gong)程(cheng)師直接指出(chu)具(ju)體(ti)問(wen)(wen)題(ti)所在，并且根據你的(de)(de)(de)工(gong)程(cheng)技(ji)術(shu)知識提出(chu)解決這(zhe)些問(wen)(wen)題(ti)的(de)(de)(de)辦法。細看(kan)各種選配內容的(de)(de)(de)詳細模擬(ni)運行的(de)(de)(de)圖表和(he)曲線圖，是一個很長的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)，仍(reng)有(you)待解釋數據。

選對工具，輕松上手

有一(yi)種成(cheng)本更低廉、更準確的設(she)計(ji)方(fang)式。方(fang)向(xiang)正(zheng)確的一(yi)步是(shi)，以(yi)可(ke)(ke)用軟(ruan)件(jian)進(jin)行分析的電子格(ge)式采集設(she)計(ji)數據(ju)。利用適當的設(she)計(ji)工具，工程師(shi)和(he)設(she)計(ji)師(shi)可(ke)(ke)執行實施(shi)正(zheng)確構建 (correct-by-construction) 設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的準則(ze)。可(ke)(ke)以(yi)在制作(zuo)物理原型之前(qian)，很早就發現過(guo)程中的問題(ti)——也許完全不再需(xu)要制作(zuo)原型。

這種由軟件工(gong)具進行設計分析的正確構建法需要若干參數：

1. 汲取(qu)電流(liu)的設(she)備的準確負荷(he)信息(xi)，如：

2. 通過電子控(kong)制單元 (ECU) 的(de)電流(liu)：

a. 我們(men)經常聽說，ECU 的(de)內(nei)部是專有的(de)，建(jian)模工(gong)作困難重重。當你把關注(zhu)的(de)焦點放(fang)在手(shou)頭的(de)任務上，即確定保(bao)險(xian)絲是否能保(bao)護線路，那么，利用(yong)正確的(de)工(gong)程工(gong)具，ECU 內(nei)部連接建(jian)模就變得小菜一(yi)碟。所需的(de)一(yi)切，如圖1所示（假設性(xing)示例）。

3. 說(shuo)明零部件位置和(he)汽車各部位的相(xiang)對溫度以(yi)及線束連接點(dian)的汽車結(jie)構(gou)模型，如圖2所(suo)示。

4. 電(dian)池、保險絲、電(dian)線以及汽車上(shang)的(de)(de)基本分(fen)立器件(jian)（車燈、電(dian)機、開關(guan)、接地裝置、繼電(dian)器等）的(de)(de)準確模型

你可以這樣做

圖3的例子顯示的是用正確的工具可能實現的結果。工程師可以采用推薦的電線規格（Wire CSA_(max) 欄(lan)），并實際應用于設計中，從而利用這(zhe)些(xie)信息(xi)來推(tui)動零件選(xuan)型。

憑(ping)借這些信息，可在(zai)(zai)實際零件(jian)制造之前，在(zai)(zai)過程中及早做出設計(ji)決定。通過利用你的(de)(de)(de)工程師的(de)(de)(de)多年經驗，你也可以為更廣(guang)大的(de)(de)(de)客戶提供(gong)這種(zhong)水平(ping)的(de)(de)(de)分(fen)析和決策。

問題早發現，多省錢

圖4的(de)(de)圖表(biao)顯示了在汽車的(de)(de)設計(ji)周(zhou)期中進行設計(ji)變更(geng)的(de)(de)相對(dui)成本。越晚發現(xian)問(wen)題，成本越高。汽車制造商一(yi)年的(de)(de)保(bao)修和召回費用高達數十億美元，這(zhe)對(dui)那(nei)些直到(dao)汽車已經(jing)交到(dao)客戶手中才發現(xian)問(wen)題的(de)(de)企(qi)業來說，嚴重(zhong)影響了他們的(de)(de)盈利。你要在設計(ji)過程中及早發現(xian)問(wen)題。

使你的(de)設計(ji)工(gong)程師(shi)能在制造原(yuan)型之前不斷地進行設計(ji)分析，不但可以(yi)節(jie)約時間(jian)和(he)金錢(qian)，還能提高你的(de)產(chan)品的(de)可靠性。大部分電氣設計(ji)測(ce)試開始(shi)于(yu)成本(ben)較(jiao)(jiao)高的(de)原(yuan)型階段(duan)，在圖4中沿(yan)紅線(xian)用淡色曲線(xian)表示。如(ru)果你先在創(chuang)意到邏輯設計(ji)階段(duan)花(hua)了較(jiao)(jiao)多的(de)時間(jian)和(he)精(jing)力，那么在整合過(guo)程中所花(hua)的(de)時間(jian)、金錢(qian)和(he)精(jing)力就會(hui)(hui)少得多，保(bao)修和(he)召回成本(ben)也會(hui)(hui)減少。

不再需要原型

日益盛行(xing)的一(yi)類電(dian)線和保(bao)險絲(si)尺寸規格分析是(shi)短路測(ce)(ce)試。有三種短路測(ce)(ce)試，如圖5所示。

這(zhe)(zhe)類分析一般在(zai)(zai)物理測(ce)(ce)試(shi)(shi)中(zhong)(zhong)進行。這(zhe)(zhe)需(xu)(xu)要在(zai)(zai)設(she)計完(wan)成后制(zhi)(zhi)造一輛(liang)造價高昂(ang)的(de)(de)(de)原(yuan)型(xing)車(che)(che)(che)，成本可能高達百萬美元以上。制(zhi)(zhi)造這(zhe)(zhe)類原(yuan)型(xing)車(che)(che)(che)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)不只是(shi)進行電氣測(ce)(ce)試(shi)(shi)，也是(shi)為了進行物理測(ce)(ce)試(shi)(shi)。這(zhe)(zhe)種(zhong)性質的(de)(de)(de)短路測(ce)(ce)試(shi)(shi)具有(you)損(sun)壞線(xian)路的(de)(de)(de)風險，可能需(xu)(xu)要進行昂(ang)貴的(de)(de)(de)維修，以便使車(che)(che)(che)輛(liang)為計劃進行的(de)(de)(de)下次測(ce)(ce)試(shi)(shi)做好準備。在(zai)(zai)設(she)計完(wan)成前(qian)，在(zai)(zai)制(zhi)(zhi)造昂(ang)貴的(de)(de)(de)原(yuan)型(xing)車(che)(che)(che)之前(qian)，這(zhe)(zhe)類測(ce)(ce)試(shi)(shi)應(ying)在(zai)(zai)虛(xu)擬環(huan)境中(zhong)(zhong)進行，并應(ying)對公(gong)司中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)每(mei)一位(wei)線(xian)束工程(cheng)師公(gong)開，而不是(shi)掌握在(zai)(zai)少數模(mo)擬專(zhuan)家的(de)(de)(de)手中(zhong)(zhong)。

保險絲熔斷時間 vs. 電線冒煙特性

在(zai)(zai)(zai)日(ri)本(ben)開始(shi)盛行(xing)的一項分(fen)析是，調(diao)(diao)(diao)整保(bao)險絲(si)的尺寸，使保(bao)險絲(si)在(zai)(zai)(zai)短路(lu)測試中，在(zai)(zai)(zai)電(dian)線包覆(fu)材料開始(shi)冒煙之前熔斷。日(ri)本(ben)電(dian)線制(zhi)造商開始(shi)公布電(dian)線的冒煙特性(xing)，以便汽車(che)制(zhi)造商與線束(shu)制(zhi)造商可以進行(xing)這種(zhong)保(bao)險絲(si)尺寸調(diao)(diao)(diao)整和電(dian)線尺寸調(diao)(diao)(diao)整。

這類測試背后(hou)的(de)主要驅動(dong)因素是耐(nai)用(yong)性。隨著電(dian)線(xian)在(zai)高負荷條(tiao)件下(xia)溫度(du)的(de)升(sheng)高，電(dian)線(xian)包覆層開(kai)始冒煙(yan)，電(dian)線(xian)的(de)耐(nai)用(yong)性降低(di)。這可能(neng)導致任何(he)數(shu)量的(de)耐(nai)用(yong)性問題(ti)。隨著電(dian)線(xian)絕緣性減(jian)弱，電(dian)線(xian)可能(neng)變脆，并可能(neng)導致里面(mian)的(de)裸(luo)線(xian)暴露在(zai)外(wai)，造(zao)成短(duan)路(lu)危險。想象一下(xia)，在(zai)行(xing)駛過程(cheng)中，安(an)全氣(qi)囊電(dian)路(lu)意外(wai)短(duan)路(lu)，安(an)全氣(qi)囊打(da)開(kai)的(de)情形。保修和召回成本(ben)驚人(ren)。先期測試做得越多，參與測試工作的(de)設計工程(cheng)師越多，測試工作越輕松，產品也越完善。

這類測試，有時(shi)稱(cheng)作“電(dian)線(xian)冒煙(yan)測試”，是用(yong)物理原型車來進行，費錢費時(shi)。這類測試原理如下所(suo)述：簡單來說，引起負荷端(duan)短路（高壓側、低壓側或負荷兩(liang)端(duan)），對(dui)電(dian)路進行觀測。如果電(dian)線(xian)包覆材料在保(bao)(bao)險(xian)絲熔(rong)斷前開始冒煙(yan)，則要研究解決辦法。這可能涉及更(geng)換更(geng)大(da)規格的(de)保(bao)(bao)險(xian)絲、熔(rong)斷時(shi)間更(geng)短的(de)保(bao)(bao)險(xian)絲、更(geng)粗的(de)電(dian)線(xian)、不同材質的(de)電(dian)線(xian)等(deng)。圖6為概念示意圖。

在(zai)圖(tu)6的圖(tu)表中，我們采用一根(gen)假(jia)設的保險(xian)絲(si)和(he)電(dian)線，并(bing)繪(hui)出了保險(xian)絲(si)熔(rong)斷時間和(he)電(dian)線冒(mao)煙(yan)時間（均以秒為單位(wei)）及電(dian)流（單位(wei)：安培）。讓我們來看(kan)一看(kan)圖(tu)上的兩個點：

1. 在大約20安培時，我們看到，對于電線與保險絲的這一組合來說，保險絲會在電線冒煙（藍線）之前熔斷（橙線）。
2. 在大約8安培時，我們看到，電線會在保險絲熔斷前冒煙。這不是人們所希望的情況，因為這可能導致電線材料老化，總體上造成耐用性問題。

如今(jin)市(shi)場上(shang)有能幫(bang)助(zhu)你做到(dao)這一(yi)點的工具。問問你自己，由(you)公司里的任意一(yi)位(wei)工程(cheng)師在(zai)設計過(guo)程(cheng)的早期在(zai)虛擬(ni)環境下自動進行下列分析，是不是很重要：

• 整車負荷測試
• 多種汽車配置的自動化測試
• 自動保險絲尺寸調整與零件選型
• 自動電線尺寸調整與零件選型
• 自動化短路測試 -- 高壓端、低壓端、負荷兩端短路測試或三種測試輪流進行
• 保險絲熔斷時間與電線材料冒煙時間測試，以提高線路耐用性

小結

物理模型測試提出了兩個成本問題：(1) 制造和維護原型的成本十分高昂；(2) 遲至原型階段才發現的(de)缺(que)陷，改正成(cheng)本十分高(gao)昂。解決辦法是對于能(neng)進行(xing)適當(dang)模(mo)擬(ni)的(de)系統，采用虛擬(ni)原型和模(mo)擬(ni)。線束很容易進行(xing)模(mo)擬(ni)，虛擬(ni)原型很容易發現缺(que)陷，如短(duan)路或(huo)保(bao)險絲熔斷時間與電線冒煙時間。利用這些工具，不(bu)但可以(yi)大大節約(yue)成(cheng)本，還(huan)能(neng)縮短(duan)開發時間。

關于 Mentor Graphics

Mentor Graphics 公(gong)(gong)(gong)司(si)是電子硬件和(he)(he)軟(ruan)(ruan)件設計(ji)(ji)解(jie)決方案(an)(EDA)的(de)(de)(de)全球領(ling)導者，為(wei)世界(jie)上較成功的(de)(de)(de)通(tong)信(xin)、半(ban)導體(ti)、計(ji)(ji)算(suan)機、消費電子、汽車(che)電子和(he)(he)國防軍工公(gong)(gong)(gong)司(si)提供優質(zhi)產(chan)品(pin)、咨(zi)詢服務(wu)和(he)(he)支持，可加快客戶電子及機械產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)研(yan)發速度，提高產(chan)品(pin)質(zhi)量，增加成本效益(yi)。工程師可借助公(gong)(gong)(gong)司(si)不斷推(tui)出的(de)(de)(de)新產(chan)品(pin)及解(jie)決方案(an)，應對(dui)日趨復(fu)雜的(de)(de)(de)電路板及芯片設計(ji)(ji)領(ling)域面臨的(de)(de)(de)挑戰。Mentor Graphics 公(gong)(gong)(gong)司(si)擁(yong)有業內最(zui)為(wei)豐(feng)富的(de)(de)(de)頂級產(chan)品(pin)線，提供完整的(de)(de)(de) SOC/IC/FPGA/PCB/SI 設計(ji)(ji)工具和(he)(he)服務(wu)，并且是唯一(yi)一(yi)家(jia)擁(yong)有嵌入式(shi)軟(ruan)(ruan)件解(jie)決方案(an)的(de)(de)(de) EDA 公(gong)(gong)(gong)司(si)。公(gong)(gong)(gong)司(si)成立于(yu)1981年(nian)，目前有超過70家(jia)分(fen)公(gong)(gong)(gong)司(si)分(fen)布世界(jie)各地。

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