车载产品电路板开发设计规范

一、总则

1. 目的

1. 本规范旨在确保车载产品电路板的设计质量，使其满足汽车环境下的可靠性、安全性和功能性要求。

2. 适用范围

1. 适用于所有车载电子产品电路板的开发设计，包括但不限于车载信息娱乐系统、汽车电子控制单元（ECU）、车载传感器电路板等。

二、设计要求

（一）功能要求

1. 功能完整性

1. 根据产品定义文档，明确电路板应具备的全部功能，如信号处理、数据传输、电源管理、控制功能等。例如，车载多媒体电路板需要具备音频 / 视频解码、播放控制、与车内其他设备通信等功能。

2. 对每个功能进行详细的功能模块划分和接口定义，确保各个功能模块之间的协同工作符合预期的产品逻辑。

2. 功能安全性

1. 对于涉及汽车行驶安全的功能（如制动系统、动力系统相关的电子控制），应按照相关汽车安全标准（如 ISO 26262）进行功能安全设计。这包括故障检测与处理机制、冗余设计等，以确保在出现故障时能够进入安全状态。

2. 对可能影响安全的信号和操作进行严格的权限管理和异常处理，例如，对于关键的控制信号，应采用加密、校验等方式防止错误或恶意的指令输入。

（二）性能要求

1. 电气性能

1. 工作电压范围：明确电路板的工作电压范围，通常车载电子产品的电源电压范围较宽，例如 10 - 16V（以 12V 电源系统为例），设计的电路应能在这个范围内稳定工作，并对电压波动、尖峰脉冲等有一定的耐受能力。

2. 信号完整性：对于高速信号（如高速通信接口、高频传感器信号等），要保证信号完整性。这包括控制信号的上升 / 下降时间、信号的反射、串扰等指标。例如，高速 CAN 总线信号的上升和下降时间应控制在规定范围内，以确保通信的准确性。

3. 功耗：合理设计电源管理电路，控制电路板的功耗。根据车载电源系统的容量和产品的使用场景，确定合适的功耗指标。对于长期处于待机状态的设备，应尽量降低待机功耗。

2. 电磁兼容性（EMC）性能

1. 电磁干扰（EMI）发射限制：遵循汽车行业的 EMC 标准，限制电路板向外发射的电磁干扰。这涉及到电路的布局、布线、元件选型等多个方面。例如，使用屏蔽罩对高频发射源（如射频模块）进行屏蔽，合理设计接地系统以减少共模辐射。

2. 电磁敏感度（EMS）要求：确保电路板能够耐受汽车环境中的各种电磁干扰源，如发动机点火系统、其他电子设备的辐射干扰等。通过滤波、屏蔽、接地等措施提高电路板的抗干扰能力。

（三）环境适应性要求

1. 温度范围

1. 考虑汽车在不同环境下的温度变化，电路板应能在规定的温度范围内正常工作和存储。一般要求为 - 40℃ - 85℃的工作温度范围和 - 40℃ - 125℃的存储温度范围。在设计中应选择合适的元件，其温度参数应满足此要求，并合理设计散热和保温措施。

2. 湿度和防水防尘

1. 考虑汽车内部可能出现的高湿度环境，电路板应具备一定的防潮能力。对于可能暴露在恶劣环境中的车载设备（如发动机舱内的传感器），应满足相应的防水防尘等级（如 IP67 或更高）。这可能涉及到电路板的封装、密封设计以及涂覆防潮材料等措施。

3. 机械性能

1. 考虑汽车行驶过程中的振动和冲击，电路板的布局和固定方式应能够承受一定的机械应力。采用合理的电路板尺寸和形状，避免过长或过薄的结构导致易折断。对关键元件（如大型芯片、连接器）进行加固处理，如使用减震垫、加固支架等。

三、硬件设计规范

（一）电路原理图设计

1. 芯片选型

1. 根据功能和性能要求选择合适的芯片。优先选择经过汽车级认证（AEC - Q100 等）的芯片，这些芯片在可靠性和环境适应性方面经过严格测试。

2. 考虑芯片的功能集成度、资源（如内存、I/O 引脚）、功耗、成本等因素。例如，对于车载微控制器，选择具有足够的定时器、中断资源以及低功耗模式的芯片，以满足实时控制和节能需求。

2. 电源电路设计

1. 设计稳定的电源电路，包括电源转换、稳压、滤波等功能。根据不同芯片和元件的电压需求，采用合适的 DC - DC 转换器、LDO（低压差线性稳压器）等电源芯片。

2. 对电源电路进行电磁兼容性设计，如在电源输入端添加共模电感、电容滤波器等，减少电源线上的电磁干扰。同时，为关键电源引脚添加足够的去耦电容，以稳定电源供应。

3. 信号处理电路设计

1. 根据信号类型（模拟信号、数字信号、射频信号等）分别设计相应的处理电路。对于模拟信号，包括信号放大、滤波、模数转换（ADC）等电路。设计中应注意模拟信号的增益、带宽、噪声等参数。

2. 对于数字信号，合理设计信号的驱动能力、电平转换电路（如果需要）以及数字逻辑电路。确保数字信号的时序满足芯片要求，避免信号的竞争冒险等问题。对于射频信号，按照射频电路设计规范，注意阻抗匹配、天线设计等要点。

4. 通信接口电路设计

1. 车载产品通常需要多种通信接口，如 CAN 总线、LIN 总线、USB、蓝牙、以太网等。对于每种通信接口，按照其标准协议和电气特性进行设计。

2. 在通信接口电路中，应考虑信号的隔离、保护措施，防止外部干扰和过电压、过电流等损坏电路板。例如，在 CAN 总线接口处添加隔离收发器，提高通信的可靠性和安全性。

（二）电路板布局布线设计

1. 布局原则

1. 按照信号流向和功能模块进行布局。将相关的元件（如芯片和其外围电路）集中放置，减少信号传输路径。例如，将电源管理芯片和其对应的滤波电容、电感等元件放置在靠近的位置。

2. 考虑热分布，将发热量大的元件（如功率放大器、电源芯片）分散布局，并放置在有利于散热的位置（如靠近散热器或通风口）。同时，避免高温元件对温度敏感元件的影响。

3. 对于有特殊要求的元件（如高精度模拟元件、射频元件），应按照其要求进行布局。例如，高精度模拟元件应远离数字信号干扰源，射频元件应按照天线的辐射特性进行布局。

2. 布线规则

1. 电源线和地线应尽量加粗，以降低线路电阻和电感，保证电源供应的稳定性。同时，采用多层板设计时，合理规划电源层和地层，采用大面积铺铜的方式增强电源和接地的性能。

2. 高速信号线应尽量短直，避免锐角和直角布线，以减少信号反射和串扰。对于差分信号线（如 USB 差分线、CAN 差分线），应严格按照等长、等距的原则进行布线，并匹配其特性阻抗。

3. 模拟信号线和数字信号线应分开布线，在交叉处采用垂直交叉或添加隔离措施（如地平面隔离），防止数字信号对模拟信号的干扰。对于关键信号（如复位信号、时钟信号），应采取保护措施，如添加滤波电容、上拉 / 下拉电阻等。

四、软件设计规范（如果适用）

（一）软件架构设计

1. 分层架构

1. 采用分层软件架构，如分为硬件驱动层、操作系统层（如果有）、中间件层和应用层。各层之间通过明确的接口进行通信，提高软件的可维护性和可移植性。

2. 硬件驱动层负责与电路板上的硬件设备进行直接交互，为上层软件提供统一的操作接口。操作系统层（如果使用）负责资源管理、任务调度等功能。中间件层可以提供一些通用的服务（如通信协议栈、文件系统等），应用层实现产品的具体功能逻辑。

2. 实时性和可靠性设计

1. 对于涉及实时控制的车载产品（如发动机控制单元），软件应具备良好的实时性。采用实时操作系统（RTOS）或在非实时操作系统中采用实时任务调度机制，确保关键任务能够及时响应。

2. 构建软件的故障检测和恢复机制。例如，通过看门狗定时器检测软件是否跑飞，在出现故障时能够自动重启或进入安全模式。对关键数据进行备份和校验，防止数据丢失或损坏。

（二）软件编程规范

1. 编程语言选择

1. 根据车载产品的硬件平台和功能要求选择合适的编程语言。对于资源受限的微控制器，C 或 C++ 语言是常用的选择，因为它们可以高效地利用硬件资源并且具有较好的可移植性。

2. 对于一些具有高级功能需求（如图形界面开发、网络通信）的车载系统，可能需要结合其他语言（如 Java、Python 等），但要注意与底层硬件的交互和性能优化。

2. 代码规范和注释

1. 遵循统一的代码编写规范，包括变量命名、函数命名、代码缩进、代码风格等方面。良好的代码规范有助于提高代码的可读性和可维护性。

2. 添加足够的注释，对代码的功能、目的、关键算法和复杂逻辑进行解释。特别是对于涉及安全关键功能的代码部分，注释应详细说明其安全机制和潜在风险。

五、设计验证和测试

（一）设计评审

1. 内部评审

1. 在电路板设计的各个阶段（原理图设计完成、布局布线完成、软件设计完成等）进行内部评审。评审团队应包括硬件工程师、软件工程师、测试工程师、质量工程师等相关人员。

2. 对设计文档（如原理图、PCB 布局布线图、软件代码等）进行详细审查，检查是否满足设计要求、是否符合设计规范、是否存在潜在的设计缺陷等。记录评审意见和问题点，要求设计人员进行整改。

2. 外部评审（如有必要）

1. 对于复杂的车载产品电路板或涉及安全关键功能的设计，可以邀请外部专家（如汽车电子领域的认证机构、供应商技术专家等）进行评审。外部评审可以提供不同的视角和专业建议，有助于提高设计质量。

（二）实验室测试

1. 电气性能测试

1. 使用专业的测试设备（如示波器、频谱分析仪、电源分析仪等）对电路板的电气性能进行测试。包括电源特性（如电压精度、纹波、电源调整率等）、信号特性（如信号幅值、频率、时序等）的测试。

2. 对高速信号进行信号完整性测试，如眼图测试、传输延迟测试等，确保高速信号符合设计要求。同时，对电路板的功耗进行精确测量，验证是否满足功耗指标。

2. 电磁兼容性测试

1. 在专业的电磁兼容性实验室中，按照汽车行业的 EMC 标准（如 CISPR 25 等）进行 EMI 和 EMS 测试。EMI 测试包括传导发射测试和辐射发射测试，检查电路板是否超过规定的电磁干扰限值。

2. EMS 测试包括静电放电（ESD）测试、射频电磁场辐射抗扰度测试、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试等，验证电路板在受到外部电磁干扰时能够正常工作。

3. 环境适应性测试

1. 进行温度循环测试，将电路板置于高低温交变的环境箱中，模拟汽车在不同季节和不同工况下的温度变化，检查电路板在温度变化过程中的性能和功能是否正常。

2. 进行湿度测试，验证电路板在高湿度环境下是否会出现短路、腐蚀等问题。对于有防水防尘要求的电路板，进行相应的防水防尘测试（如 IP 等级测试），检查其密封性和防水防尘性能。

3. 进行机械振动和冲击测试，按照汽车行业的相关标准（如 ISO 16750 - 3），使用振动台和冲击试验机对电路板进行模拟汽车行驶过程中的振动和冲击，检查电路板的机械可靠性，包括元件是否松动、焊点是否开裂等。

（三）车载环境测试（实车测试）

1. 功能验证测试

1. 将电路板安装在实际的汽车环境中，进行功能验证测试。在汽车启动、行驶、停车等不同工况下，检查电路板的各项功能是否能够正常实现。例如，车载信息娱乐系统电路板在汽车行驶过程中应能够稳定地播放音频 / 视频，与车内其他设备（如方向盘控制按钮、倒车雷达等）的通信应正常。

2. 对涉及安全关键功能的电路板，应在各种复杂的驾驶场景下（如急刹车、急转弯、高速行驶等）进行严格的功能测试，确保其可靠性和安全性。

2. 兼容性测试

1. 进行与整车系统的兼容性测试，检查电路板与汽车上其他电子设备（如发动机控制单元、车身控制模块、其他传感器和执行器等）之间是否存在电磁干扰、通信冲突等问题。

2. 验证电路板与汽车电源系统的兼容性，包括电源波动、电源噪声等对电路板的影响，以及电路板在不同电源模式（如发动机启动、熄火等）下的工作情况。

六、文档管理

1. 设计文档

1. 应建立完整的设计文档，包括项目需求文档、电路原理图、PCB 布局布线图、元件清单、硬件设计说明（包括功能、性能、环境适应性等设计思路和技术参数）、软件代码（包括注释）、软件设计文档（包括软件架构、功能实现流程等）。

2. 设计文档应详细、准确，能够完整地反映电路板的设计过程和设计成果。在设计过程中，及时更新文档，确保文档与实际设计一致。

2. 测试文档

1. 记录各种测试过程和测试结果的测试文档。包括实验室测试报告（电气性能测试报告、EMC 测试报告、环境适应性测试报告等）、实车测试报告（功能验证测试报告、兼容性测试报告等）。

2. 测试文档应明确测试方法、测试条件、测试设备、测试数据和测试结论。对于测试过程中发现的问题和缺陷，应详细记录其现象、原因分析和解决措施。