10 واقعیت سرد در مورد PCBA اسکنر OBD که اکثر مهندسان سخت افزار به روش سخت یاد می گیرند

یک اسکنر OBD را به برق وصل کنید و گوشی شما با RPM موتور، دمای مایع خنک کننده و کدهای خطا روشن می شود. به نظر ساده می رسد وصل کردن یک درایو USB.

اما اگر فکر می‌کنید PCBA داخل فقط یک «مبدل پروتکل مجهز به بلوتوث» است، در حال دست کم گرفتن چیزی هستید که به الکترونیک خودرو می‌رود. در اینجا 10 حقیقت سرد و سخت در مورد آن وجود دارداسکنر OBD PCBAطراحی و ساخت - نوع حقایقی که آن را به دیتاشیت تبدیل نمی‌کند، اما کاملاً آن را به شکست‌های میدانی تبدیل می‌کند.

1. سه پین ​​در رابط OBD-II برای بیش از 25 سال "رزرو" شده است.

کانکتور OBD-II دارای 16 پین است. استاندارد چند مورد از آنها را به وضوح تعریف می کند:

• پین 4 — زمین شاسی

• پین 5 — زمین سیگنال

• پین 16 — برق باتری (همیشه روشن، بدون توجه به موقعیت کلید احتراق)

• پین 6 و پین 14 — CAN_H و CAN_L (پروتکل غالب از سال 2008)

• پین 7 — K-Line (ISO 9141-2 / KWP2000، موجود در خودروهای قدیمی اروپایی و آسیایی)

• پین 2 و پایه 10 — SAE J1850 PWM (Ford) / VPW (GM)

و سپس دیگران هستند:

پین‌های 1، 3، 8، 9، 11، 12 و 13 - رسماً به‌عنوان «اختیار سازنده» تعیین شده‌اند.

مرسدس ممکن است از پین 1 به عنوان یک سیگنال بیداری استفاده کند. GM ممکن است CAN با سرعت پایین را از پین 12 عبور دهد. فولکس واگن ممکن است پین 3 را برای یک کانال تشخیصی خاص برای دسترسی به ماژول کیسه هوا رزرو کند.

واقعیت سرد: PCBA که فقط CAN (پین 6/14) و K-Line (پین 7) را هدایت می کند، بازرسی آلایندگی را پشت سر می گذارد و RPM موتور را به خوبی می خواند. اما برای دسترسی به اطلاعات سنسور زاویه فرمان، اطلاعات پمپ ABS یا حافظه ماژول کیسه هوا - این عیب یابی "پیشرفته" اغلب از طریق این پین های صلاحدید سازنده انجام می شود. اگر PCBA ردیابی به آنها را نداشته باشد، هیچ مقداری از به‌روزرسانی‌های OTA میان‌افزار آن عملکرد را باز نمی‌کند. پشتیبانی سخت افزاری درب یک طرفه است.

2. چیپست یکسان، چیدمان PCB متفاوت - تا 30٪ تفاوت در پوشش خودرو

دو PCBA دقیقاً از همان MCU و دقیقاً همان گیرنده CAN استفاده می کنند. یکی بدون نقص به BMW 2015 متصل می شود. دیگری نمی تواند ارتباط برقرار کند.

مقصر اغلب به یک جزئیات می رسد: کنترل امپدانس دیفرانسیل CAN.

گذرگاه CAN به امپدانس دیفرانسیل 100 ± 100% نیاز دارد. اگر عرض و فاصله ردیابی اشتباه محاسبه شود و امپدانس به 85Ω یا 115Ω برسد، بازتاب سیگنال رخ می دهد. نمودار چشم بسته می شود. در سرعت‌های پایین (250 کیلوبیت در ثانیه، معمولی برای وسایل نقلیه قدیمی)، ممکن است سیستم همچنان کار کند. اما در خودروهای اروپایی پس از سال 2015 که CAN-FD با سرعت 2 مگابیت در ثانیه یا حتی 5 مگابیت در ثانیه کار می کنند - یک برد با امپدانس ناسازگار به سادگی نمی تواند دست بدهد.

واقعیت سرد: بسیاری از اسکنرهای ارزان قیمت که ادعا می کنند "سازگار با تمام خودروهای 1996 و جدیدتر هستند" از فایل های Gerber یکسان در چندین نسل محصول، با بهینه سازی امپدانس صفر برای پروتکل های با سرعت بالاتر، مجددا استفاده می کنند. آنها کاملاً روی تویوتای قدیمی‌تر کار می‌کنند، اما حتی خودشان را در مرسدس بنز جدید معرفی نمی‌کنند - نه به این دلیل که سیستم عامل اشتباه است، بلکه به این دلیل که ردپای PCB از نظر فیزیکی خارج از مشخصات است.

3. محدوده ورودی 9 ولت تا 36 ولت درباره «سازگاری جهانی» نیست - درباره بقا است

پایه 16 روی کانکتور OBD برق را مستقیماً از باتری خودرو می گیرد. در یک سیستم 12 ولت، خروجی دینام بین 13.8 ولت و 14.4 ولت اجرا می شود. در خودروهای تجاری 24 ولت، ولتاژ کاری معمولی بین 27 ولت و 29 ولت است.

اما ولتاژ حالت پایدار تهدید نیست. گذرا عبارتند از:

• قطع شدن باتری در حالی که دینام در حال چرخش است، بار القایی 60 تا 100 ولت ایجاد می کند.

• یک رگولاتور ولتاژ خراب می‌تواند ولتاژ باس را به بالای 36 ولت برساند.

• شروع پرش با قطبیت کابل نادرست - یا اتصال یک سیستم 24 ولت به یک وسیله نقلیه 12 ولت - می تواند 24 ولت کامل را مستقیماً به درگاه OBD تغذیه کند.

واقعیت سرد: دیود TVS در ورودی برق PCBA معمولاً با ولتاژ شکست بین 30 ولت و 33 ولت انتخاب می شود. خیلی کم را انتخاب کنید - و TVS در طول عملکرد عادی سیستم 24 ولت، سرخ کردن خود و مدارهای پایین دست، گیره می‌گیرد. خیلی بالا را انتخاب کنید - و TVS تا زمانی که مبدل DC-DC آسیب نبیند عمل نمی کند. این مقدار در هیچ طرح مرجع یافت نمی شود. این از اندازه گیری شکل موج واقعی ولتاژ پورت OBD در ده ها مدل خودرو حاصل می شود. دیتاشیت ها این را به شما نمی گویند.

4. گلوگاه طول عمر واقعی پین های OBD چرخه های درج نیست - خستگی ناشی از ارتعاش است

مشخصات خرید اغلب "5000 چرخه درج" را برای اتصال OBD بیان می کند. اما بازگشت میدانی داستان متفاوتی را بیان می‌کند: پین‌ها فرسوده نشده‌اند - اتصالات لحیم ترک خورده است.

مکانیسم ساده است:

پورت OBD بر روی شاسی فلزی خودرو در زیر داشبورد نصب شده است. وقتی وسیله نقلیه به دست انداز برخورد می کند، پورت با شاسی می لرزد. بدنه اسکنر (مخصوصاً مدل‌های سنگین‌تر با صفحه نمایش و باتری) از انتهای دیگر آن 16 پین آویزان است و به عنوان بازوی اهرمی کنسول عمل می‌کند.

هر سرعت گیر به یک چرخه تنش خمشی در محل اتصال لحیم تبدیل می شود. یک سال رانندگی روزانه = تقریباً 10000 سرعت گیر = 10000 چرخه خستگی.

واقعیت سرد: تعیین کننده واقعی طول عمر کانکتور OBD، ضخامت روکش طلایی روی پین ها نیست، بلکه مرکز ثقل محفظه اسکنر و توزیع وزن PCBA است. قرار دادن MCU و باتری نزدیک‌تر به انتهای دوشاخه، و قرار دادن نمایشگر دورتر، مرکز ثقل را به جلو منتقل می‌کند و به طور چشمگیری گشتاور خمشی روی پین‌ها را کاهش می‌دهد. برخی از طرح ها سوراخ های نصب را روی PCBA اضافه می کنند و از براکت های فلزی در داخل محفظه برای تقسیم بار استفاده می کنند. این در لحظه ای که محفظه را باز می کنید قابل مشاهده است - و بلافاصله به شما می گوید که آیا طراح مهندسی مکانیک یا فقط مهندسی برق را درک کرده است.

5. جریان خواب فرستنده گیرنده CAN می تواند باتری خودرو را در کمتر از سه ماه تخلیه کند

بسیاری از اسکنرهای OBD به طور نامحدود وصل می شوند. مالک فراموش می کند که آنها آنجا هستند.

در یک PCBA با طراحی خوب، MCU وارد خواب عمیق می شود و فرستنده و گیرنده CAN به حالت آماده به کار می رود. کل جریان آماده به کار برد باید بین 50 µA تا 100 µA باشد.

اما اگر فرستنده و گیرنده برای حالت آماده به کار پیکربندی نشده باشد (یا سیستم عامل آن را به درستی فعال نکرده باشد)، فرستنده گیرنده در حالت گوش دادن فعال باقی می‌ماند و 5 میلی آمپر تا 10 میلی آمپر می‌کشد. 5 میلی آمپر را در 24 ساعت در 90 روز ضرب کنید — این 10.8 Ah ظرفیت باتری است. باتری معمولی خودروهای سواری 50 تا 60 آمپر است.

واقعیت سرد: پین 16 روی کانکتور OBD همیشه انرژی باتری روشن است، نه از طریق احتراق. هر اسکنر وصل شده 24/7، 365 روز در سال برق مصرف می کند. اختلاف جریان در حالت آماده به کار فقط 0.1 میلی آمپر می تواند تفاوت بین اسکنرهایی باشد که برای وصل کردن آن مناسب است و اسکنرهایی که به طور بی صدا باتری را طی سه ماه از بین می برند. این پارامتر به ندرت در طول تحقیق و توسعه اندازه گیری می شود - اما یکی از عوامل اصلی در بازگشت گارانتی است.

6. در کاربردهای OBD، خازن‌های درجه خودرو با ضریب 10 از درجه تجاری بالاتر هستند.

دو خازن MLCC 100 µF / 25 ولت بگیرید:

یک اسکنر OBD که در تابستان به وسیله نقلیه متصل می‌شود: دمای کابین با بسته شدن پنجره‌ها به ۷۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. گرمایش خود را از PCBA اضافه کنید تا دمای بدنه خازن به راحتی از 85 درجه سانتیگراد فراتر رود.

در این دما، خازن‌های تجاری به سرعت تخریب می‌شوند - الکترولیت خشک می‌شود، ظرفیت خازن کاهش می‌یابد، ESR افزایش می‌یابد و ریپل ریل برق تا جایی که MCU به طور تصادفی تنظیم مجدد می‌شود، افزایش می‌یابد.

واقعیت سرد: ارتقاء همه خازن‌ها به درجه AEC-Q200 تقریباً 0.50 دلار به ازای هر برد اضافه می‌کند — کمتر از 2٪ از کل هزینه BOM. نادیده گرفتن این ارتقا می‌تواند نرخ شکست میدان را دو برابر کند. اما این دقیقاً همان گوشه‌ای است که وقتی بخش خرید می‌گوید "فقط با ظرفیت خازن و ولتاژ مطابقت داشته باشید" قطع می‌شود. کارشناسان واقعی گواهینامه AEC-Q200 و گزارش آزمایش عمر بار در دمای بالا را درخواست می‌کنند — نه فقط صفحه دیتا.

7. "FR-4" یک مشخصات مواد نیست - یک درجه اشتعال پذیری است

اسکنرهای OBD سرمای شدید را به خصوص در بازارهای شمالی می بینند.

کانادا، اسکاندیناوی، شمال شرقی چین - دمای -30 درجه سانتیگراد در زمستان معمول است. در هنگام شروع سرد، PCBA در عرض چند دقیقه تحت شوک حرارتی از -30 درجه سانتیگراد تا دمای زیر هود قرار می گیرد.

ورقه ورقه استاندارد FR-4 دارای Tg (دمای انتقال شیشه ای) 130 درجه سانتیگراد تا 140 درجه سانتیگراد است - که در سطح بالا کافی به نظر می رسد. اما در سطح پایین، رزین اپوکسی استاندارد زیر 25- درجه سانتیگراد شکننده می شود. چسبندگی بین پد مسی و زیرلایه کاهش می یابد. پس از چند ده چرخه حرارتی سرد، میکروترک‌ها می‌توانند در زیر توپ‌های لحیم کاری BGA ایجاد شوند - منجر به خرابی‌های متناوب می‌شوند که به صورت «وقتی سرد وصل نمی‌شوند، اما وقتی گرم می‌شوند خوب کار می‌کنند» نشان داده می‌شوند.

واقعیت سرد: "FR-4" فقط یک رتبه اشتعال پذیری است — چیزی در مورد قابلیت اطمینان حرارتی نمی گوید. مواد PCB درجه یک خودروی واقعی (مانند سری Shengyi S1000-2M یا Taiyo TUC) نه تنها با Tg، بلکه با مقاومت CTE (ضریب انبساط حرارتی)، Td (دمای تجزیه) و CAF (رشته آندی رسانا) مشخص می‌شوند. مهمتر از همه، آنها باید 1000 چرخه شوک حرارتی را از -40 درجه سانتیگراد تا +125 درجه سانتیگراد پشت سر بگذارند. مشخصات خریدی که به سادگی می گوید "FR-4" بی معنی است. نیاز به درجه لمینت خاص و نام تامین کننده آن چیزی است که خریداران آگاه را از بقیه جدا می کند.

8. پین 4 و پین 5 دو پایه جداگانه هستند - نباید روی تخته به هم گره بخورند

پایه 4 زمین شاسی است (بازگشت نیرو). پین 5 زمین سیگنال (مرجع حسگر) است. در سمت وسیله نقلیه، آنها به یکدیگر متصل هستند - اما از طریق مسیرهای مختلف:

• پایه 4 جریان های بالایی را حمل می کند و افت ولتاژ در مسیر برگشت خود دارد.

• پین 5 جریان ناچیزی دارد و به عنوان مرجع سیگنال های سطح پایین عمل می کند.

اگر یک PCBA پایه 4 و پایه 5 را با هم در کانکتور اتصال کوتاه کند، پیامد آن افزایش نویز در صفحه زمین سیگنال است — که ولتاژ حالت مشترک فرستنده گیرنده CAN را افزایش می‌دهد و نرخ خطای بیت را کاهش می‌دهد.

واقعیت سرد: طراحی خوب PCBA پین 4 و پایه 5 را به طور جداگانه به صفحه اصلی زمین بازمی‌گرداند، با یک اتصال تک نقطه‌ای از طریق یک مهره فریت یا مقاومت 0Ω در نقطه ورودی برق. این جزئیات به طور چشمگیری نسبت سیگنال به نویز CAN را بهبود می بخشد. شماتیک مرجع تقریباً همیشه آن را به درستی نشان می دهد. اما در طول Layout، بسیاری از مهندسان برای صرفه جویی در فضای مسیریابی آنها را با هم کوتاه می کنند - اشتباهی که در طرح شماتیک قابل مشاهده نیست، اما در آزمایش EMC غیرقابل انکار است.

9. در برخی از وسایل نقلیه، پین 16 یک اتصال باتری "خالص" نیست

در اکثر خودروها، پایه 16 مستقیماً از طریق فیوز به قطب مثبت باتری متصل می شود.

اما در برخی از مدل‌های آمریکایی و آلمانی، سازنده یک دیود یا ترمیستور PTC را به صورت سری با پین 16 وارد می‌کند — برای جلوگیری از جریان معکوس و محافظت از مدار OBD.

این یعنی:

• اسکنر 0.3 تا 0.7 ولت کمتر از ولتاژ واقعی باتری (به دلیل افت ولتاژ رو به جلو دیود) را می بیند.

• اگر آستانه قفل ولتاژ پایین (UVLO) PMIC خیلی بالا تنظیم شده باشد - مثلاً زیر 10 ولت خاموش شود - ممکن است اسکنر در طول میل لنگ سرد یا شرایط بیکاری کم راه اندازی نشود.

واقعیت سرد: برخی از اسکنرهای OBD "در مورد وسایل نقلیه حساس هستند" - آنها روی یک نمونه از یک مدل کار می کنند اما روی یک خودروی مشابه از همان خط تولید کار نمی کنند. علت اصلی اغلب به همین افت دیود برمی گردد. مهندسان سخت‌افزار باتجربه آستانه PMIC UVLO را زیر 7 ولت تنظیم می‌کنند — اطمینان حاصل می‌کنند که اسکنر حتی در شدیدترین ترکیبی از افت دیود، کاهش ولتاژ و کاهش دمای باتری در دمای سرد شروع به کار می‌کند. اکثر طراحان UVLO 10 ولت طرح مرجع را کپی می کنند و دیگر هرگز به آن فکر نمی کنند - تا زمانی که شکایات میدانی وارد شود.

10. همه آزمون های عملکردی یکسان ایجاد نمی شوند

هراسکنر OBD PCBAقبل از ارسال تحت آزمایش عملکردی (FCT) در خط تولید قرار می گیرد. اما "آزمایش عملکردی" می تواند به معنای بسیار متفاوت باشد:

واقعیت سرد: آزمایش الگوی ثابت فقط تأیید می کند که "پین های فرستنده گیرنده به عقب لحیم نشده اند." آزمایش شکل موج تأیید می‌کند که تطابق امپدانس، مقاومت‌های خاتمه، لحیم‌کاری TVS و قطبیت چوک حالت مشترک همه درست هستند —زیرا هر مشکل لایه فیزیکی علامتی روی شکل موج بر جای می‌گذارد: دامنه کم، افست حالت مشترک یا لبه‌های کند. اینکه آیا یک کارخانه آزمایش شکل موج را انجام می دهد یا نه، قوی ترین پیش بینی کننده "قبول QC کارخانه" در مقابل "کار در وسیله نقلیه مشتری" است. و تفاوت هزینه؟ بیشتر در پیچیدگی طراحی تجهیزات تست و زمان چرخه ایستگاه تست. تامین کنندگانی که مایل به سرمایه گذاری در اینجا هستند تامین کنندگانی هستند که قابلیت اطمینان میدان را درک می کنند.

یک PCBA اسکنر OBD که به درستی طراحی شده باشد، هرگز به سادگی "لحیم کردن قطعات و کار می کند" نیست.

از کدام یک از 16 پین OBD مسیریابی می شود و کدام یک بلااستفاده می مانند - تا ولتاژ شکست دقیق TVS که با نزدیکترین ولت مشخص شده است. از کنترل امپدانس دیفرانسیل روی ردپای CAN تا درجه AEC-Q200 روی هر خازن منفرد - هر جزئیات تعیین می کند که آیا یک محصول صرفاً "عملکردی" است یا واقعاً "قابل اعتماد". خواه سه ماه در میدان دوام بیاورد یا به مدت پنج سال بدون یک بار قطع شدن به یک وسیله نقلیه متصل بماند.