綜合平衡ADAS應用中的電源要求

作者/Warren Tsai，Jangho Jeon，Chintan Parikh，George Chen(Maxim汽車(chē)事業(yè)部)

　　摘要：得益于高級駕駛輔助系統(ADAS)，汽車(chē)駕駛正在變得越來(lái)越安全。這些系統中的攝像機與傳感器、成熟算法和微處理器相結合，可以在發(fā)現道路上的障礙物時(shí)提醒駕駛員、必要時(shí)幫助制動(dòng)、指示盲區等。為確保正確工作，ADAS應用要求供電電源符合特定精度以及負載瞬態(tài)響應的要求。本文探討確保汽車(chē)電池電壓正確調節所需的條件，以便為惡劣環(huán)境下的ADAS攝像機、傳感器和處理器有效供電。

　　關(guān)鍵詞：ADAS;電源;PMIC;EMI

　　1 確保安全駕駛

　　ADAS等應用正在推動(dòng)車(chē)載處理能力不斷提升，以運行先進(jìn)的算法來(lái)引導駕駛員更加安全地行駛。當然，隨著(zhù)處理能力越來(lái)越強大，為了符合系統性能目標，就需要對電源進(jìn)行更好的管理。然而，鑒于汽車(chē)嘈雜的工作環(huán)境、多個(gè)電子子系統，功率限制條件下的綜合平衡電源需求就面臨嚴峻的挑戰。

　　在A(yíng)DAS模塊、信息娛樂(lè )無(wú)線(xiàn)音響單元和智能儀表板等快速增長(cháng)領(lǐng)域，許多汽車(chē)工程師通過(guò)多個(gè)電源軌為各個(gè)部件供電，通常具有特定的電壓調節精度要求(圖1)。為滿(mǎn)足這些嚴格的系統要求，能夠提供高精度、高靈活性和小尺寸的汽車(chē)電源管理方案就至關(guān)重要。熱限制、電磁干擾(EMI)和散熱也是需要解決的關(guān)鍵因素。

　　2 滿(mǎn)足汽車(chē)子系統的電氣和電源需求

　　管理汽車(chē)子系統的電氣和電源事項需要巧妙的綜合平衡。處理器、存儲器、屏幕及其他部件都需要不同電流水平的穩定電壓。所以穩壓器就必須足以提供這些關(guān)鍵電路所需的電源，同時(shí)不產(chǎn)生太多的熱量。如果需要多個(gè)電源軌，就會(huì )有更多電壓和電流尖峰需要管理，事情就會(huì )變得非常復雜。汽車(chē)中特定的電壓軌都要求特定的電壓精度。例如，為了保證性能，片上系統(SoC)核心通常具有特定的電壓容限。如果電壓超出指標范圍，就無(wú)法保證處理器性能。鑒于A(yíng)DAS應用的安全特性，這顯然是不可接受的。

　　接下來(lái)，汽車(chē)的電氣和熱環(huán)境也對此存在影響。汽車(chē)中直流電源軌的噪聲較大。當汽車(chē)在不同的溫度環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)，例如冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)或拋負載等情況，會(huì )存在較大、突然的壓降。此類(lèi)負載瞬態(tài)基本上發(fā)生在處理器突然面臨需求增加以及消耗更大電流時(shí)。例如，處理器處于待機模式時(shí)的功耗只有峰值功耗的大約三分之一。當突然要求處理器執行動(dòng)作時(shí)，消耗的電流可能達到滿(mǎn)荷狀態(tài)。在這種情況下，開(kāi)關(guān)模式電源的輸出電壓可能發(fā)生瞬間跌落，然后發(fā)生抖動(dòng)，最后穩定在其目標電壓。處理此類(lèi)負載瞬態(tài)響應的關(guān)鍵是采用設計良好的電源轉換器來(lái)管理輸出電壓擺動(dòng)，防止擺動(dòng)超出指標范圍并進(jìn)而影響處理器性能。

　　EMI是工程師需要考慮的另一項挑戰。汽車(chē)具有大量來(lái)自?xún)炔亢屯獠康纳漕l(RF)噪聲，由此導致的EMI可能會(huì )限制各種汽車(chē)子系統的性能?，F在的汽車(chē)機身內部包含從汽車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統到安全系統等大量電子子系統，這些子系統全部擁擠在非常狹小的空間內。在外部，從移動(dòng)電話(huà)到發(fā)射塔等所有設備都會(huì )發(fā)射噪聲，這些噪聲可能會(huì )影響汽車(chē)性能(圖2)。汽車(chē)OEM必須確保電子系統不發(fā)射過(guò)大EMI，并且能夠承受來(lái)自于其他子系統的噪聲(國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )的CISPR 25標準對汽車(chē)內傳導和輻射發(fā)射做出了規定)。

　　由于解決系統電源需求的選項有限，許多現有系統針對各個(gè)電壓軌分別采用分立式電源方案。例如，有些一流公司針對各個(gè)直流電源軌采用一組線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)DC-DC調節器。但這種方法要求具備專(zhuān)業(yè)的知識，仔細選擇正確的元件，以滿(mǎn)足各個(gè)電源軌的要求。如果組合不當，由于混頻原因，可能會(huì )發(fā)生EMI和干擾問(wèn)題。有些人選擇在其設計中集成具有更大電容的元件，以抑制負載瞬態(tài)引起的電壓紋波，但具有較大電容的汽車(chē)級元件非常昂貴。至于EMI，用金屬外殼保護ADAS子系統免受輻射影響可能有效，但要綜合權衡由此增加的成本和重量。另一方面，事實(shí)證明擴頻調制能有效抑制EMI。

　　3 符合EMI標準的汽車(chē)級PMIC

　　在滿(mǎn)足ADAS性能和電源要求的同時(shí)又要符合EMI標準，這就要求專(zhuān)業(yè)的汽車(chē)級電源管理集成電路(PMIC)。這些器件的高集成性可有效降低總體方案尺寸。擴頻振蕩器的加入可減輕EMI的影響。在整個(gè)溫度和工作電壓范圍內具有高輸出精度，確保器件符合嚴格的SoC核心電壓要求。

　　符合汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)要求可確保功能安全性。

　　Maxim豐富多樣的汽車(chē)級PMIC可配合任意微處理器或微控制器工作，在滿(mǎn)足電源要求的同時(shí)也彌補了高效和小尺寸的需求(如圖3)^[1]。

　　低壓PMIC家族(其中許多器件提供引腳兼容的ASIL-C版本)的最新成員包括如下產(chǎn)品。

　?、費AX20014。高效、三路輸出DC-DC轉換器，具有同步3.8 V至8.5 VOUT、750 mA boost轉換器、兩路同步1 A至3 A buck轉換器、2.2 MHz開(kāi)關(guān)頻率和擴頻振蕩器，采用24引腳、4 mm x 4 mm TQFN-EP封裝。該器件用于配合MAX20003 36 V、3 A高壓buck轉換器工作。

　?、贛AX20075/76。36 V、600 mA/1.2 A微型buck轉換器，靜態(tài)電流僅為3.5 μA，具有集成高邊和低邊開(kāi)關(guān)，采用3 mm x 3 mm、12引腳TDFN封裝。

　　對于A(yíng)DAS應用中的攝像機，Maxim也提供如下新型攝像機保護PMIC。

　?、費AX20087。ASIL-B/D級四/雙路攝像機電源保護器IC，具有高邊限流，以保護各個(gè)攝像機模塊。

　?、贛AX20019。雙路同步buck轉換器，2 mm x 3 mm封裝，為業(yè)界最小的3.2 MHz雙通道降壓型電源。

　　4 結論

　　攝像機、傳感器、微處理器以及其他用于A(yíng)DAS應用的底層元件在下一代汽車(chē)中將越來(lái)越普及，對精確管理供電電源的要求也會(huì )越來(lái)越嚴格。汽車(chē)級PMIC綜合平衡電源需求和功率約束，同時(shí)滿(mǎn)足小尺寸方案要求，對確保安全功能的正常工作發(fā)揮著(zhù)重要作用。

　　參考文獻

　　[1]Maxim適用于A(yíng)DAS應用的電源管理技術(shù)[R/OL].www.maximintegrated.com/adas

　　作者簡(jiǎn)介：

　　四位作者均來(lái)自Maxim汽車(chē)事業(yè)部。

　　Warren Tsai，總監。

　　Jangho Jeon，資深業(yè)務(wù)經(jīng)理。

　　Chintan Parikh，執行業(yè)務(wù)經(jīng)理。

　　George Chen，業(yè)務(wù)經(jīng)理。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第24頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處