基于六西格玛设计的PWM 信号控制电路设计应用

费帮国，吴 军，蒋先庆

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201206）

近年来，汽车电子化水平不断提升，市场对汽车电子产品的需求日益增长。为了尽快抢占市场，全球各大OEM厂商，通过加快汽车智能电子产品的开发进度，缩短开发周期，以期尽快将产品投放市场。而如何在较短的周期内，花费较低的成本，设计出一款客户满意的产品，这就需要运用科学的方法进行开发与设计。六西格玛设计方法，作为一种稳健高效的设计方法，在主流整车厂商与零部件供应商中已获得了广泛认可。

1 六西格玛设计简介

六西格玛设计（Design for Six Sigma，简称DFSS），重点致力于把关注焦点从设计后期的维护修改转移到设计前期的主动防御，它是一种工程开发过程，以满足客户对于产品品质、性能的期望，同时保证低成本［1］。六西格玛设计方法分为识别与计划（Identify）、定义要求（Define）、开发概念（Development）、优化设计（Optimization）、确认和实施（Verify）5个阶段，简称IDDOV［2］，具体如下。

1）Identify，识别与计划。识别与计划阶段的目标是为确保任务成功完成而开发计划。

2）Define，定义要求。定义要求阶段的目标是建立一套使客户满意的合理的功能指标。其主要过程是通过调研收集客户呼声，分析客户数据，并将客户呼声转化为相关的工程指标。

3）Development，开发。开发阶段的目标是建立最好的设计方案，满足定义要求阶段所确定的功能，同时满足其他业务目标。

4）Optimization，优化设计。优化设计阶段的目标是确定设计方案的设计参数，确保在各种操作条件下有一致的性能。

5）Verify，确认和实施。确认和实施的目的是确认项目是否达到预期目标。

2 基于六西格玛设计的PWM信号控制电路设计实例

PTC（Positive Temperature coefficient），即正温度系数电阻，用于车辆空调系统的辅助加热。对于传统的燃油车，其空调的热源来自于发动机的冷却水。但是，对于冬天严寒地区，仅依赖汽车发动机的冷却水，是无法满足客户对于空调系统舒适性要求的，特别是发动机排量较小的车辆。因此，需要PTC作为空调热量不足的补充，以提升客户的舒适性。另外，在PTC模块的控制方式上，采用的是具有很强抗噪性的PWM信号控制，这提升了功能安全的可靠性。下面以自动空调控制器的PWM信号控制电路设计为例，来说明六西格玛设计在电子硬件设计中的应用。

2.1 识别机会（Identify）

识别机会阶段，需要识别产品或者开发过程存在的问题，并提出新的设计需求。在自动空调系统开发过程中，整车空调系统性能试验认证团队发现，在环境温度-10℃情况下，车辆发动机冷却水提供给空调系统的热量，不足以支持空调的加热性能，无法满足客户的舒适性要求，存在的抱怨有以下3点：①刚上车时，车内空调制热不够快；②发动机运行一段时间后，车内空调不够暖；③车辆运行一段时间后，车内空调忽冷忽暖，自动调节舒适性差。

为避免上述抱怨发生，满足空调加热性能的认证要求，经产品开发团队PDT研究决定：基于当前发动机冷却水温/水量的实际情况，增加PTC模块；同时，为使PTC模块能够自动稳定地工作，自动空调控制器需新增PTC控制信号电路。控制系统框图如图1所示。

图1 PTC功能控制原理

2.2 定义要求（Define）

定义要求阶段，需要建立一套使客户满意的合理的功能指标。为满足客户（PTC开发团队）对PTC模块自动稳定工作的接口定义要求，将其需求分解成相应的可实现的工程需求规范。同时，将需求分解成工程开发指标，具体参数见表1。

表1 用户类型及对应要求

如何满足表1中的需求规范，确保“自动空调控制器的PWM驱动信号控制PTC挡位准确，频率稳定可靠”，通过对工程指标逐一分析得出，对于PWM控制信号的频率，是由控制器的主MCU提供，存在变差的可能性较小。而对于PWM控制信号的占空比精度、最大低电压幅值两个工程指标，对PTC挡位准确控制存在较大影响，设计时需要重点关注。

1）PWM控制信号低电平电压幅值要求

图2 PTC模块接口电路

图2为PTC模块接口电路，为了让三极管Q3的基极与射极间至少有1V的电压差（考虑到三极管的导通电压会受温度影响，通常为0.7V 即可），即Ube≥1V，确保三极管Q3处于导通工作状态。因此，自动空调控制器输出的PWM控制信号的低电平的电压幅值U ≤［VDD-Ube-UR18］=［VDDUbe-Ube×（R18/R89）］=5-1-1×（1.1/1）≌3V，即自动空调控制器输出的PWM控制信号的低电平的电压幅值U≤3V。

2）PWM控制信号占空比精度要求

如表2所示，基于PTC控制模块各挡位的占空比定义，特别是3挡情况下，由于占空比最大值为95%，可得占空比精度要小于（0.98-0.95）/0.98×100%=3%，否则会出现跳挡至PTC OFF，导致PTC不工作问题发生。因此将PWM控制信号占空比精度要求设定为<3%。

表2 PWM占空比与挡位对应关系

2.3 开发（Development）

2.3.1 PWM信号控制电路方案

开发阶段，产品开发团队针对PTC控制信号电路的设计，分别提出了集成式电路、分立式电路1、分立式电路2，共3种方案，具体可参见图3、图4、图5。

图4 分立式PWM信号控制电路1

图5 分立式PWM信号控制电路2

图3集成式PWM信号控制原理图，通过自动空调控制器MCU输出PWM信号，控制低边集成电路芯片TLE7233G处理后，输出PTC PWM控制信号，从而自动控制PTC工作挡位。同时，也可通过TLE7233G的SPI通信，对功能输出端口进行诊断检测（开路、短路）。

图4分立式PWM信号控制电路1，通过自动空调控制器MCU输出PWM信号，控制三极管的开启与关闭以及控制PTC工作挡位，通过捕获PTC端口PWM波状态，来实现端口诊断检测（开路、短路）。

图5分立式PWM信号控制电路2，是通过自动空调控制器MCU输出的PWM信号，来控制三极管的开启与关闭以及PTC工作挡位，通过采集PTC端口电压值来实现端口诊断检测（开路、短路）。

2.3.2 PWM信号控制电路方案选择

开发阶段，运用Pugh概念分析法进行概念选择。分别对集成式PWM信号控制电路（简称A）、分立式PWM信号控制电路1（简称B）、分立式PWM信号控制电路2（简称C），分别从电路简易程度、成本、开发周期、控制性能、元件利用效率、风险、电路占PCB空间7个维度，进行了2轮平衡比较，如图6所示。其中“+”表示性能较优，记为5分，“-”代表性能指标较差，记为1分，“S”与对性能指标相当，记为3分。通过Pugh对已有的概念方案进行选择，综合考虑产品的功能、成本和制造等因素。

图6 PUGH矩阵分析

电路简易程度方面，A、B、C都较简单；成本方面，A涉及到单独的集成电路芯片TLE7233G，成本较高，B、C成本相对低廉；开发周期方面，A、B、C都相差无几；控制性能方面，A的PWM控制性能最优，而B需要通过优化输出电容与电阻值，提升PWM输出性能，否则可能受地漂影响后性能略差；元件利用效率方面，A涉及到单独的集成电路芯片TLE7233G有4路PWM控制输入端，而本项目应用到的低边PWM信号控制路数只有2路，元件利用效率低；开发风险方面，C的软件诊断逻辑较为复杂，容易引入新的问题，并且难以优化解决，风险较高；电路占PCB空间方面，B、C都较大，A占用PCB空间较小。

综上可得，A由于成本太高，可考虑直接排除。而B从成本、PCB空间、软件的复杂程度上优于C。因此，产品开发团队最终选择最佳方案为B，即分立式方案1。

2.4 优化设计（Optimization）

针对已选择的分立式PWM信号控制电路1，可满足初始设定的目标，即低电平电压幅值约等于3，占空比精度约等于3%。但此电路未充分考虑噪音干扰方面的影响，在有地漂的干扰下，PWM信号输出的可靠性与稳定性有所下降，存在无法满足工程目标的风险。为确保信号可靠稳定输出，经过产品开发团队评估，可选择端口ESD电容、限流电阻作为控制因子，对PWM信号输出电路进行进一步优化。其中，优化端口ESD电容，可提升实际占空比精度；优化端口限流电阻，可降低PWM信号低电平幅值，具体见表3。

表3 工程指标优化

如图7所示，空调辅助加热控制系统参数中，端口ESD电容、端口限流电阻作为控制因子，地漂为噪音因子，响应为PWM控制信号输出，空调出风口温度自动调节。

将端口电容C2、端口电阻R7设定为控制因子，如图8所示。控制因子和水平设定为3个，参见表4；对于噪音因子地漂，选取经验最大值，设定为1.2V。

图7 控制系统参数图

控制因子组合选择：选取控制因子组合C2=10nF，R7=68Ω，对地漂移电压U地=1.2V，计算PWM信号的最大低电平电压值为ULmax=1.74V<2V，占空比精度为0.08%<2%，C2容值上限值计算得C2≤37nF，也就是说C2的电容取值不能超过37nF，否则就会使得占空比精度超过2%。由此可得其它控制因子组合，无法满足要求。

综合以上可得，AB Level1组合，即C2=10nF，R7=68Ω，可以满足工程的优化目标，由此得出最佳的PTC信号控制电路如图8所示。

2.5 确认（Verify）

对所选择的AB Level1组合，进行实际电路测试，并确认是否达到预设的工程目标。经实际测试，有效低电平的电压值为0.3V，考虑地漂1.2V，共计1.5V<2V，能够确保PTC模块电路中的三极管Q3始终处于导通状态。

表4 控制因子和水平

是否影响占空比的精度，取决于延迟下降到有效低电平时间与延迟上升到有效高电平时间差，经测试确认：PWM输出信号下降为有效低电平的延时时间为7μs，PWM输出信号上升到有效高电平的延时时间为16.4μs，因此，对占空比的精度值为（16.4-7）/（1/150）×106×100%≈0.14%<2%，可以满足精度要求。

图8 PTC控制电路

2.6 六西格玛设计的优势

六西格玛设计的优势主要有以下4个方面：①强调价值与客户思维，设计方案的选取来源于对客户需求的深层次分析；②一种可实施有重点的方法，通过各个维度对比，筛选出最佳设计方案，并对其重点研究并实施；③更广泛的参与性，该活动是以小组的形式开展，成员各司其职，有一定的参与深度与广度；④明智地应用技术，通过对最佳方案再进行深度优化，可以做到优中选优［3］。因此，基于六西格玛设计严谨的IDDOV流程，最终获得了自动空调控制器PTC信号电路最佳组合设计，且成本最优。

3 结论

本文以自动空调控制器PTC PWM控制信号电路的设计为例，运用六西格玛设计的IDDOV流程方法，开发了满足客户需求的PTC控制信号电路，而且优化了成本、开发周期，提升了电子模块零件的开发品质，体现了六西格玛设计的在产品开发方面的优越性，在汽车电子模块开发上值得推广与应用。