羅姆發(fā)布車(chē)載電源樹(shù)參考設計白皮書(shū)

前言

近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)事故預防措施和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對支持高等級安全要求（ASIL）的高級駕駛輔助系統（ADAS）的需求也與日俱增。自動(dòng)駕駛是指由搭載于汽車(chē)中的單元代替駕駛員執行人類(lèi)駕駛汽車(chē)的四個(gè)要素（通過(guò)耳朵和眼睛進(jìn)行“認知”，通過(guò)大腦進(jìn)行“預測”和“判斷”，通過(guò)方向盤(pán)和油門(mén)進(jìn)行“操作”）的駕駛。要想實(shí)現安全的自動(dòng)駕駛，需要準確的感應和及時(shí)的顯示和控制。因此，硬件中攝像頭和傳感器的使用數量呈增加趨勢，并且為了能夠準確地告知情況，對信息娛樂(lè )系統也提出了多功能化要求。

在這種情況下，用于實(shí)現安全功能的單元還需要監控內部運行狀態(tài)，并注意因單元故障而導致的功能喪失情況。這也需要電子電路來(lái)監控每個(gè)單元內部的運行狀態(tài)，這將使電子電路變得更復雜，使單元和系統設計需要投入的時(shí)間變得更長(cháng)。

市場(chǎng)所需的參考設計

隨著(zhù)車(chē)載單元數量的增加以及必須通過(guò)電子電路實(shí)現的功能的增加，ADAS/信息娛樂(lè )系統外圍單元的電子電路需要進(jìn)行以下復雜的設計：

●   隨著(zhù)攝像頭和傳感器數量的增加，需要安裝的電子元器件數量也在增加，需要供給的電源軌也變得越來(lái)越復雜，因此需要在成本、尺寸和特性方面進(jìn)行優(yōu)化組合。

●   由于不能犧牲續航里程，因此就需要高效率的電源系統。

●   由于除了功能設計之外還存在其他設計元素（例如CISPR25 Class5的噪聲標準），因此不僅需要設計產(chǎn)品本身，還需要設計整個(gè)車(chē)載單元。

●   要改進(jìn)單元和系統的安全功能，就需要能夠監控電源軌、檢測電子電路故障并將相應信息傳輸給CPU的功能。

為了滿(mǎn)足此類(lèi)市場(chǎng)需求，ROHM開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足單元設計所需設計元素的參考設計，并開(kāi)始公開(kāi)設計數據。

參考設計“REFRPT001”的概要

此次介紹的 參考設計“REFRPT001” 的概要如下：

●   配備8個(gè)系統的電源功能，涵蓋 ADAS / 信息娛樂(lè ) 功能所需的電源軌。

●   一次^(*1)DC/DC轉換器IC采用“BD9P系列”，即使輸入電壓低于設定的輸出電壓（例如電池啟動(dòng)時(shí)），也可以穩定地供電。

●   二次^(*1)DC/DC轉換器IC采用“BD9S系列”，該系列產(chǎn)品具有超小型和超高效的特點(diǎn)。

●   電源監控IC采用“BD39040MUF-C”，可以監控全部8個(gè)系統的輸出電壓，并具備IC自我診斷功能，有助于提高功能安全等級。

●   已完成系統級驗證

-   已完成標準電氣特性測試

-   已完成EMC測試（在沒(méi)有輸入濾波器的條件下，符合CISPR25 Class5要求）

-   已完成熱測試（分散配置高效率DC/DC轉換器IC，可分散熱量）

●   所使用的IC和分立元器件均符合車(chē)載AEC-Q100和AEC-Q101標準。

●   主要IC均支持功能安全“FS supportive^(*2)”。

參考設計“REFRPT001”的參考板“REFRPT001-EVK-001”的外觀(guān)圖（圖1）和框圖（圖2）如下。假定條件：從2個(gè)系統的一次DC/DC轉換器“ BD9P系列”分別分支出4個(gè)系統輸出，并為SoC、MCU和CAN設備供電。另外，由于8個(gè)系統的輸出電源軌均由電源監控IC負責監控，因此有助于提高功能安全系統的等級。

圖1 參考板“REFRPT001-EVK-001”的外觀(guān)圖

圖2 參考設計“REFRPT001”的框圖

接下來(lái)是作為評估數據而公開(kāi)的EMC測試結果。從測試結果可以看出，即使讓整個(gè)參考板運行，在沒(méi)有輸入濾波器的情況下，EMC輻射噪聲（天線(xiàn)垂直）（圖3）、輻射噪聲（天線(xiàn)水平）（圖4）和傳導噪聲（圖5）均符合CISPR25 Class5標準。在PCB上還預先預備了用于增加噪聲特性余量的輸入濾波器安裝圖案，因此還可以針對會(huì )對整個(gè)單元的改進(jìn)工作具有重大影響的EMC問(wèn)題采取增加輸入濾波器的措施。 

圖3 輻射噪聲（天線(xiàn)垂直）

圖4 輻射噪聲（天線(xiàn)水平）

圖5 傳導噪聲

全力支持客戶(hù)設計的內容和工具

針對 參考設計“REFRPT001” ，已經(jīng)在ROHM官網(wǎng)上公開(kāi)了以下數據作為支持客戶(hù)設計的開(kāi)發(fā)工具（內容和工具）。

●   參考框圖 / 參考電路圖 / 零部件清單（BOM）

●   PCB信息 / Gerber數據

●   測試報告（電氣特性、EMC特性、熱特性）

●   免費的在線(xiàn)仿真工具（參考設計的部分電路）

●   所搭載產(chǎn)品的SPICE模型

●   所搭載產(chǎn)品的CAD工具用符號＆引腳焊盤(pán)

●   所搭載產(chǎn)品的熱仿真用熱模型

另外，如上所述，還可以使用 ROHM Solution Simulator ^(*3)對本參考設計的部分電路進(jìn)行仿真。ROHM Solution Simulator是一款免費的在線(xiàn)仿真工具，由于還提供包括外圍電路在內的標準電路，因此無(wú)需準備仿真電路和模型就可以輕松地進(jìn)行仿真。接下來(lái)介紹一個(gè)仿真示例。

圖6是2個(gè)系統電源樹(shù)的仿真示例，該電源樹(shù)為電池供電，一次DC/DC轉換器IC“BD9P105”后段配備有二次DC/DC轉換器IC“BD9S201”和LDO“BD00IA5M”。

圖6   2個(gè)系統電源樹(shù)的仿真電路(1)

圖7是3個(gè)系統電源樹(shù)的仿真示例，該電源樹(shù)為電池供電，一次DC/DC轉換器IC“BD9P205”后段配備有各種二次DC/DC轉換器IC。

圖7   3個(gè)系統電源樹(shù)的仿真電路(2)

融入先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，成就ROHM特色參考設計

將這些參考設計的開(kāi)發(fā)工具和仿真用于A(yíng)DAS/信息娛樂(lè )系統外圍單元的設計，可以節省部件選型的麻煩并可切實(shí)靠地進(jìn)行電路驗證，從而可以大大減少單元設計的工時(shí)。

這次的特色參考設計由凝聚了先進(jìn)技術(shù)和功能的產(chǎn)品打造而成。

●   BD9P系列 （采用Nano Pulse Control?技術(shù)的產(chǎn)品^(*4)）

-   42V耐壓、車(chē)載一次DC/DC轉換器IC系列（表１）

-   具有出色的高速響應性能，可在電池啟動(dòng)后立即穩定供電

-   具有展頻功能，低EMI（低噪聲）

表1 一次DC/DC轉換器IC“BD9P系列”產(chǎn)品陣容

●    BD9S系列 支持功能安全“FS supportive”

-   車(chē)載二次DC/DC轉換器IC系列（表２）

-   搭載有助于提高系統可靠性的輸出電壓監控功能，并且可以設置軟啟動(dòng)時(shí)間

-   超高效運行

-   開(kāi)關(guān)頻率2.2MHz(typ.)，不會(huì )干擾AM頻段

-   支持功能安全“FS supportive”

表2   二次DC/DC轉換器IC“BD9S系列”產(chǎn)品陣容

-   內置自我診斷功能（BIST）且支持功能安全的電源監控IC（圖8）

●   BD39040MUF-C

-   搭載可調看門(mén)狗定時(shí)器（Window型）以及過(guò)電壓監測、欠壓監測、復位功能

-   搭載自我診斷功能（BIST），不僅可監控系統的電源軌，還可以檢測潛在故障

-   內部基準電壓電路和振蕩電路采用多路復用，故障概率顯著(zhù)降低

-   支持功能安全“FS supportive”

-   3mm x 3mm小型封裝，可輕松改造系統

圖8 電源監控IC“BD39040MUF-C”的特點(diǎn)

●   RBR3LAM60BTF

車(chē)載級（符合AEC-Q101）高可靠性，60V肖特基勢壘二極管。在本參考設計中，用作電池輸入端的防回流二極管。為了盡可能地減少二極管正向電壓（Vf）引起的電壓降，采用了Vf很低的RBR系列。

●   RV4C020ZPHZG

車(chē)載級（符合AEC-Q101）高可靠性，1.5V驅動(dòng)低導通電阻Pch MOSFET。底部電極封裝，但由于采用安裝可靠性更高的可潤濕側翼形狀，因此安裝后的視認性更好。在本參考設計中，用作將3.3V系統分支的負載開(kāi)關(guān)。

結語(yǔ)

未來(lái)ROHM將繼續開(kāi)發(fā)先進(jìn)的產(chǎn)品和協(xié)助將這些產(chǎn)品應用到應用產(chǎn)品中的參考設計，為客戶(hù)所開(kāi)發(fā)的系統實(shí)現節能、小型化、降低發(fā)熱量、減少設計工時(shí)、提高功能安全等級貢獻力量。ROHM相信，繼續并持續地努力將會(huì )為汽車(chē)社會(huì )帶來(lái)安全與安心，并為世界各地的人們帶來(lái)更加豐富多彩的生活。

【術(shù)語(yǔ)集】

(*1) 一次、二次

在多級電源系統中，從電池等電源的角度，將負責第一級轉換的電路稱(chēng)為“一次”，將連接至一次的輸出端的第二級轉換電路稱(chēng)為“二次”。

(*2) FS supportive

為了在單元中實(shí)現功能安全，ROHM對每種產(chǎn)品可以提供的功能安全相關(guān)的文件進(jìn)行了分類(lèi)，在組件級別支持功能安全。

(*3) ROHM Solution Simulator

在ROHM官網(wǎng)上運行的免費仿真工具。通過(guò)對接近應用產(chǎn)品電路的電路解決方案（例如將SiC功率元器件和柵極驅動(dòng)IC組合在一起的電路）進(jìn)行仿真，可以大大減少設計和電路驗證工時(shí)。

(*4) Nano Pulse Control?

Nano系列技術(shù)之一，ROHM開(kāi)發(fā)的創(chuàng )新型電源技術(shù)。利用超高速脈沖控制技術(shù)，可以安全地在電源IC中實(shí)現非常大的降壓比，有助于降低系統的BOM成本。