這些趨勢的發(fā)展速度會只增不減，而未來(不久的將來)的汽車將會具有比以往任何時候都高的連接能力–并且，那樣在新的汽車設(shè)計(jì)中就會同時針對處理能力和傳輸海量高速數(shù)據(jù)的能力產(chǎn)生巨大的需求。

這場競爭已展開–而且，與過去十年間大家見證的個人電腦領(lǐng)域的那場競賽有所不同。在那個市場上，通過一場激烈的競爭就能最終發(fā)現(xiàn)誰是獲勝者是那些性能強(qiáng)大的電腦都具有尺寸小巧，重量輕，最重要的是功能齊全卻能輕松處不斷增長的復(fù)雜數(shù)據(jù)。

在汽車市場，設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電源傳輸和高速數(shù)據(jù)處理能力。設(shè)計(jì)工程師們還必須在汽車總體設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求的局限下，對各個流程生成的熱以及環(huán)境溫度的波動進(jìn)行安全的管理，同時遵循汽車行業(yè)在安全性和可靠性方面的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求。

的確，那是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

在思索汽車制造商及其供應(yīng)商面臨的具體設(shè)計(jì)問題時，與熱管理有關(guān)的挑戰(zhàn)可以劃分為兩個基本的關(guān)注方面：

1. 了解對電子元件不斷增長的需求，確保設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)生的熱量可保持在最低程度

2. 在這類具有極端溫度并且常常是封閉的、條件更加苛刻的環(huán)境下，設(shè)計(jì)出的外殼將有助于管理熱量并優(yōu)化冷卻

解決這些挑戰(zhàn)并非易事，一切都要從適宜的電氣設(shè)計(jì)和外殼設(shè)計(jì)開始，從而提供成本效益高又極具效率的熱管理效果。

模塊的定義和最新的進(jìn)展

隨著消費(fèi)性電子產(chǎn)品使用的激增，對于性能更高的汽車網(wǎng)絡(luò)、媒體模塊以及更高功率充電器的需求也在不斷增長，這樣才能滿足駕駛員和乘客與車輛進(jìn)行連接的需求，并且，對于在未來車輛中支持各種先進(jìn)的安全功能的網(wǎng)絡(luò)的需求也在飛速增長。與此同時，具有前瞻性的汽車制造商也在大力呼吁進(jìn)一步的簡化汽車網(wǎng)絡(luò)解決方案并提高其能力，從而處理當(dāng)今車輛內(nèi)部隨時生成的大量數(shù)據(jù)。如此一來，在汽車電子元件和電子設(shè)備上就已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展，使這些元件和設(shè)備的技術(shù)越來越先進(jìn)，但是也需要創(chuàng)新性的熱管理策略來耗散掉生成的熱。

在討論致力于管理熱問題的形形色色的設(shè)計(jì)方法前，我們先來明確幾個定義，以及汽車設(shè)計(jì)人員在其中運(yùn)作的基本框架：

媒體模塊

汽車媒體模塊可實(shí)現(xiàn)多種類型的I/O端口連接的集成，例如USB、HDMI、以太網(wǎng)以及SD存儲卡等等，從而滿足末端系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)與數(shù)量與日俱增的各種設(shè)備的無縫通信，客戶會使用這些設(shè)備來生產(chǎn)互連車輛。媒體模塊使連接到汽車并提供所需的充電電源成為了可能，讓我們時刻保持連接。

莫仕的工程師們在數(shù)十年豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為面向消費(fèi)者的設(shè)備開發(fā)領(lǐng)先的解決方案，他們充分的了解連接上的獨(dú)特要求，并且能夠按照最嚴(yán)格的汽車業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從事設(shè)計(jì)。我們的客戶充分依靠這種深入的專家經(jīng)驗(yàn)來融會貫通自身的真正需求，設(shè)計(jì)出最佳的模塊解決方案。

莫仕的多端口媒體中心提供最先進(jìn)的智能充電支持

特點(diǎn)與優(yōu)勢：USB-A 和 Type C 接口、USB 2.0 和 3.1 支持、BC 1.2、MFI、Type C 和 PD 充電協(xié)議、AppleCarPlay、Android Auto和 CarLife 主機(jī)共享支持、SD 卡、級聯(lián)式集線器以及 LED 照明

充電器

車載信息娛樂系統(tǒng)呈爆炸性增長的趨勢，因而汽車的設(shè)計(jì)都配備了多個充電器以及多種類型的充電器，從而同時整合起 USB-A 和 Type C 接口。

對于要求更高的應(yīng)用，莫仕可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)備外形的定制車載智能充電器，提供設(shè)備制造商定義的最高功率以及效率最高的充電過程。它們還內(nèi)置了保護(hù)電路，使設(shè)備免受短路和過流條件的影響。這些添加進(jìn)的安全保護(hù)功能和工程措施最終可以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健的充電器產(chǎn)品，為駕駛員和乘客提供快速、高效的充電功能。

在設(shè)計(jì)階段，莫仕可以指定充電器的規(guī)格并完成設(shè)計(jì)，滿足汽車業(yè)客戶在封裝和功率方面設(shè)定的全面要求。通過熱建模以及對環(huán)境要求的分析，以及之后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的性能驗(yàn)證，充電器接口經(jīng)過充分的驗(yàn)證可滿足客戶對性能和封裝的要求。

對于為工程師帶來挑戰(zhàn)的一整套變量 – 無論是在機(jī)械、電氣還是軟件方面，我們?yōu)槌潆娖魈峁┑纳峤鉀Q方案都已將其納入考量，目標(biāo)則是達(dá)到最優(yōu)的熱性能與動力性能。此外，莫仕還采用了最新的汽車技術(shù)與熱設(shè)計(jì)上的最新進(jìn)展，從而以最小的尺寸來實(shí)現(xiàn)極具成本效益的高效解決方案。

莫仕智能充電器解決方案

特點(diǎn)與優(yōu)勢：汽車級 USB-A、Type C接口和BC 1.2、Apple MFI Type C、QC 3.0/4.0，以及可選裝 LED 鹵素照明一和燈罩的 PD 充電協(xié)議

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)

真正的自動駕駛汽車需要最高程度的安全性、優(yōu)先級劃分、可靠性以及性能。原有的汽車總線系統(tǒng)，例如CAN等等，并不具備充分的信息傳送速度以使車輛安全可靠的運(yùn)行。2018年麥肯錫公司的一份報(bào)告顯示1，車載以太網(wǎng)解決方案是賦予能力的關(guān)鍵所在，代表了車內(nèi)連接和V2X連接的未來。莫仕的10G多區(qū)域以太網(wǎng)絡(luò)平臺是一種行業(yè)領(lǐng)先的解決方案，能夠處理車內(nèi)連接提出的綜合性需求。

莫仕現(xiàn)在處于以太網(wǎng)技術(shù)的前沿領(lǐng)域，是業(yè)內(nèi)第一家在集成的汽車平臺上提供10G速度的企業(yè)。莫仕將公司在網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)和數(shù)據(jù)通信市場上從事設(shè)計(jì)和制造業(yè)務(wù)的悠久歷史及專家經(jīng)驗(yàn)與工業(yè)市場上20年來的軟件開發(fā)與集成經(jīng)驗(yàn)完美的結(jié)合到一起，開發(fā)出了創(chuàng)新性的以太網(wǎng)平臺，良好滿足互連車輛在機(jī)械尺寸、電氣布局和散熱上的需求以及軟件方面的要求。

需求持續(xù)增長

據(jù)估計(jì)2，最早到 2025 年，全部新車中的 85% 以上都會歸于“互連”車輛的類別之下，并且在歐洲、美國和中國，將會有超過4.7億輛的互連車輛行駛在路上?；ミB車輛的數(shù)量以驚人的速度增長–同時，連接的程度也在與日俱增，這已經(jīng)帶來了數(shù)據(jù)的爆炸。麥肯錫公司的一份報(bào)告預(yù)測說，互連汽車每小時會生成多達(dá) 25 GB 的數(shù)據(jù)，而預(yù)計(jì)自動駕駛汽車每小時則會生成近 500 GB 的數(shù)據(jù)(相當(dāng)于每天 4,000 GB)。數(shù)據(jù)的包括傳感器和攝像頭、聲波定位儀和雷達(dá)、激光雷達(dá)和GPS系統(tǒng)，以及一系列的安全、安防及信息娛樂系統(tǒng)。

英特爾的一份報(bào)告表示，一輛自動駕駛汽車將消耗大約相當(dāng)于 3,000 人的數(shù)據(jù)量。

根據(jù)預(yù)計(jì)，汽車連接組件–模塊、充電器、交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)–將會以幾乎實(shí)時的方式來移動并處理那些數(shù)據(jù)。那種對于處理能力的超常需求要求采取特別的措施，對相應(yīng)產(chǎn)生的熱能進(jìn)行管理。

管理熱量并優(yōu)化冷卻

冷卻系統(tǒng)和設(shè)計(jì)的方法

隨著自動駕駛的來臨，汽車制造商實(shí)質(zhì)上都會將超級計(jì)算機(jī)或者企業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之類的等效設(shè)備配置到未來的車輛當(dāng)中。將生熱保持在最低程度并且確定散熱的最佳策略，都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)組成部分。理想情況下，自然對流冷卻方法是消散掉熱能的最具成本效益的解決方案，因?yàn)樵摲椒ú⒉灰蕾囉陬~外的組件，無論該組件是有源還是無源的。

業(yè)界目前正在廣泛的采用液體冷卻解決方案來抵消生成的熱量。盡管非常有效，液體冷卻方法會產(chǎn)生額外的成本并且需要進(jìn)一步的處理(泵機(jī)、流體–乙二醇或類似的流體來用于防凍，以及輸送流體的閉路系統(tǒng))。在自動駕駛車輛中通過流體冷卻來抵消熱量，在長期條件下并不實(shí)際或者并不可行，并且，考慮到縮小尺寸的需要，會產(chǎn)生更多的需求并要求提供更好的熱設(shè)計(jì)。

除了指定冷卻方法以外，研發(fā)工程師們還必須應(yīng)對汽車設(shè)計(jì)中與生俱來的許許多多的其他挑戰(zhàn)，包括：

安裝要求和其他機(jī)械要求

空間限制

定制及專用的設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)今可用的材料和組件(及其是否能夠–或者不能夠–應(yīng)對明日的系統(tǒng)生成的熱量)。大多數(shù)集成電路設(shè)計(jì)針對的都是 IT 機(jī)房環(huán)境，這類環(huán)境并不符合汽車業(yè)的要求，因此，對于對最終產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要的熱冷卻來說，又帶來了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

模擬并驗(yàn)證熱管理上的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

首先，至關(guān)重要的一點(diǎn)是要充分的了解汽車產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)對熱管理的影響，包括解決方案的功能、位置等等基本事項(xiàng)，并且要考慮如下之類的問題并進(jìn)行規(guī)劃：

車輛的空間限制

每個組件的功率級別和耗散數(shù)及其位置

可以使用的材料：包括材料的最高溫度以及各材料的位置(最終用戶的接觸表面以及安裝的接觸表面)

氣流類型(如有)：包括周圍組件、管路、線束等等中的氣流

成本

仿真和驗(yàn)證工具

熱設(shè)計(jì)模型的仿真和驗(yàn)證在準(zhǔn)確可靠的設(shè)計(jì)的生成過程中都是至關(guān)重要的步驟，在汽車的整體設(shè)計(jì)中有助于預(yù)測并解決問題。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，莫仕采用了一系列的流程，并且利用了形形色色的工具來達(dá)到最高程度的準(zhǔn)確性與精確性。此外，莫仕能夠在公司頂尖的實(shí)驗(yàn)室中開展一系列綜合性的內(nèi)部測試與仿真。

印刷電路板建模改善精度

從事電路板的設(shè)計(jì)時，精度絕對是至關(guān)重要的，并且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)要求也變得比以往任何時候都要嚴(yán)格和苛刻。我們反復(fù)的進(jìn)行詳細(xì)的測試和仿真，直到仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合為止。建?？梢詭戆踩圆p輕壓力，甚至在設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)入制造車間前即可確保正確的發(fā)揮作用。莫仕對其工程師測試的每個解決方案都采用了以下步驟：

建模

準(zhǔn)確的獲取物理數(shù)據(jù)

功率級別

組件位置

印刷電路板布局(銅線布局)

銅是一種優(yōu)秀的導(dǎo)熱體，因此，對銅走線中的熱量建?？梢蕴峁┏浞值募?xì)節(jié)與精確性

溫度繪圖[!--empirenews.page--]

溫度繪圖可幫助識別出熱點(diǎn)和其他值得關(guān)注的方面

瞬態(tài)仿真、測試與驗(yàn)證

熱裕量與數(shù)據(jù)表評級

實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場的監(jiān)控和性能

汽車主機(jī)系統(tǒng)對模塊設(shè)計(jì)的影響

除了對解決方案進(jìn)行精確建模之外，還必須考慮到在車內(nèi)的封裝位置與封裝方式，因?yàn)檫@也會對設(shè)計(jì)的效果和總成本產(chǎn)生顯著的影響。比如說，如果計(jì)劃將一個組件靠近暖通空調(diào)管路進(jìn)行封裝，那么氣候會成為一個重要的因素。其他的考慮事項(xiàng)包括：

模塊發(fā)熱的位置和內(nèi)部的熱擴(kuò)散

顯然，模塊的封裝方式和封裝位置既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。模塊會發(fā)熱，因此需要進(jìn)行設(shè)計(jì)測量來減輕影響。例如，莫仕的許多解決方案都采用了嵌入式模塊，其中模塊的接口嵌入到車輛的儀表板中，而實(shí)際的模塊則位于其他位置，因此可以更加方便的排放或者耗散掉熱量。

入口和層流的氣流量與溫度

環(huán)境溫度在讀取時通常不會考慮任何氣流因素，如此一來，在封閉環(huán)境下開展了測試，可以代表車輛的實(shí)際條件并生成更精確的結(jié)果。在車輛內(nèi)部，這些各型組件的封裝位置通常存在著管線或線束，或者會存在其他類型的封裝限制。

組件的位置

各種組件的位置會影響到熱設(shè)計(jì)的性能，并且，設(shè)計(jì)決策中必須考慮到裝配方向、流通特性、阻力和冷卻劑的影響等等因素。

外殼的熱管理

外部的面板信息點(diǎn)必須保持較低的溫度，由于在該位置處用戶將與模塊進(jìn)行互動，因此觸摸時不得過熱。該表面將發(fā)揮散熱器的作用，必須采取措施來隔離開這部分模塊。如果操作不正確，這些表面就會達(dá)到100攝氏度。莫仕的工程師們充分利用了電路板的布局、散熱片和其他方法來確保這些表面符合行業(yè)要求。

需要注意的重要一點(diǎn)就是，在車輛中，即使對一個單獨(dú)的組件做出任何改動，都會有意或無意的造成系統(tǒng)水平的更改。對印刷電路板進(jìn)行改動會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生變化。

散熱效果和熱額定值

案例研究 1：更安全的電源模塊

另一家頂級的汽車制造商向莫仕提出挑戰(zhàn)，要求為一種模塊來降低接口溫度，指定了該模塊需要兩個 USB 充電端口，而且每個端口都需要能夠輸送 60 瓦的功率。此外，客戶的交互(前面)表面的溫度不得超過 60 攝氏度。

深入的熱力學(xué)研究和測試協(xié)助了莫仕在電路板的級別上識別并實(shí)施了更改，從而降低客戶的接口溫度。這些改動獲得的結(jié)果是，當(dāng)模塊在最高的水平上持續(xù)輸出功率的同時，現(xiàn)在可以安全的觸摸可接觸的區(qū)域了。

印刷電路板改動前(下左)：挑戰(zhàn)在于滿足前面的溫度規(guī)格要求，不得超過 60 攝氏度。一開始，組件的溫度保持在 68-69 攝氏度。印刷電路板改動后(下右)：為了降低前面的溫度，莫仕的工程師們重新配置了印刷電路板的布局，能夠在不犧牲功率的情況下將模塊控制在規(guī)格的范圍內(nèi)。

對熱傳遞基本原理的充分理解，以及更好的進(jìn)行跨部門的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了汽車級模塊(參見下圖)的開發(fā)，可以同時在兩個端口中輸送電力，達(dá)到 120 瓦的總功率。

案例研究 2：穩(wěn)健的功率輸出

莫仕積極的推動供應(yīng)商在各種工作條件下，根據(jù)熱仿真和測試的數(shù)據(jù)來使供電組件達(dá)到汽車級的質(zhì)量。我們最近開發(fā)出的一種功率輸出解決方案能夠在兩個USB-C型端口上達(dá)到120瓦的總輸出。在本案例中，組件的功率耗散作為熱仿真的輸入，僅可對一個輸入電壓和電流條件進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠渲械募呻娐穼儆谧钚麻_發(fā)的產(chǎn)品。

同樣，在極廣的工作電壓、環(huán)境溫度以及各種功率輸出的范圍內(nèi)，我們并不完全清楚有源組件和系統(tǒng)的效率，而這些因素都會推動最終的機(jī)械設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)安全的操作性能與功率性能。

為了克服這些問題，莫仕采用了一組WCCA值，通過使用開放式印刷電路板的紅外圖像和熱電偶數(shù)據(jù)來測量溫度，從而開發(fā)出仿真和測試之間的相關(guān)性。采用仿真 DOE 和測試之間的相關(guān)性，對機(jī)械封裝進(jìn)行了優(yōu)化，其中涉及到輸出功率值和輸入電壓的各種組合。通過嚴(yán)格的測試識別出在較低的輸入電壓下效率有所降低，并將其納入考慮，從而實(shí)現(xiàn)安全且最優(yōu)的功率性能。

獨(dú)一無二的優(yōu)勢

當(dāng)今，數(shù)據(jù)完整性和處理能力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為車輛和自動駕駛車輛的發(fā)展提供了有力的支持，而莫仕則具有獨(dú)一無二的資格，為汽車業(yè)中這一激動人心的連接時代提供大力支持。

莫仕開拓性的開發(fā)出了各種線纜、連接器、交換機(jī)、媒體模塊、網(wǎng)關(guān)和其他高速高帶寬的解決方案以及熱策略，適合形形色色行業(yè)中的高密度網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用 — 從數(shù)據(jù)密集型的超級計(jì)算、超大規(guī)模和企業(yè)數(shù)據(jù)中心一直到電信、到苛刻的工業(yè)和汽車業(yè)應(yīng)用。

久經(jīng)考驗(yàn)的工程協(xié)議

此外，莫仕還開發(fā)出了嚴(yán)格的工程協(xié)議，作為一個可靠的基礎(chǔ)來開發(fā)各種領(lǐng)先的熱管理解決方案。熱管理不當(dāng)則會造成性能不佳、可靠性問題、產(chǎn)品壽命縮短，以及安全上的關(guān)切問題。

莫仕充分應(yīng)用數(shù)十年來在熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，提供各種創(chuàng)新性的解決方案，良好應(yīng)對未來互連車輛熱管理上的挑戰(zhàn)。

案例研究：

莫仕最近開發(fā)出的一種功率輸出解決方案能夠在兩個USB-C 型端口上達(dá)到 120 瓦的總輸出。盡管電子元件制造商都在開發(fā)更新型的電源組件，莫仕不斷推動著供應(yīng)商在各種工作條件下，根據(jù)熱仿真和測試的數(shù)據(jù)來達(dá)到汽車級的質(zhì)量。

組件的功率耗散作為熱仿真的輸入，僅可對一個輸入電壓和電流條件進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠渲械募呻娐穼儆谧钚麻_發(fā)的產(chǎn)品。

在極廣的工作電壓、環(huán)境溫度以及各種功率輸出的范圍內(nèi)，我們并不完全清楚有源組件和系統(tǒng)的效率，而這些因素都會推動最終的機(jī)械設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)安全的操作。莫仕采用了一組 WCCA 值，通過使用開放式印刷電路板的紅外圖像和熱電偶數(shù)據(jù)來測量溫度，從而開發(fā)出仿真和測試之間的相關(guān)性。下圖說明了開放式印刷電路板的仿真和測試數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。采用仿真 DOE 和測試之間的相關(guān)性，對機(jī)械封裝進(jìn)行了優(yōu)化，其中涉及到輸出功率值和輸入電壓的各種組合。通過嚴(yán)格的測試識別出在較低的輸入電壓下效率有所降低，并將其納入考慮。莫仕已通過熱設(shè)計(jì)成功開發(fā)出了汽車級的功率輸出解決方案。

左圖：仿真中的等溫線圖 右圖：開放式印刷電路板的紅外圖像

(作者：GARY MANCHESTER，交通運(yùn)輸事業(yè)部新產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理;DON MUELLER，機(jī)械工程經(jīng)理;KIRAN VANUMATI，CAE工程師│莫仕公司(Molex))