選擇適用于汽車(chē)應用的基準電壓

引言 

ADAS、車(chē)身電子裝置、動(dòng)力總成等汽車(chē)系統需要用到 精密數據轉換器。對于每個(gè)數據轉換器，在測量汽車(chē)信 號時(shí)，通常都需要一個(gè)精確的基準電壓 (VREF) 以便誤 差盡可能低。許多數據轉換器可以合并內部基準，但在 CMOS 技術(shù)中很難找到一個(gè)內部基準電壓能夠達到雙 極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數字 處理中更為復雜，由于存在各種固有的時(shí)鐘噪聲，內部 基準往往會(huì )有噪聲。因此，通常需要使用外部基準電壓 來(lái)進(jìn)行更精確的測量。

圖 1. 簡(jiǎn)化的 ADAS 前置攝像頭示意圖

用于監控 1% 1V 電壓軌的基準電壓 

在汽車(chē)高級駕駛輔助系統 (ADAS) 中，監控 MCU/DSP/FPGA 中使用的電壓軌非常重要。通過(guò) ADC 和電壓監控器組合來(lái)獨立監控電壓軌，確保電壓 軌不會(huì )超過(guò)可能導致欠壓或過(guò)壓事件（可能損壞 MCU/DSP/FPGA）的某個(gè)電壓。通常，這些 ADC 在 微控制器 (MCU) 內部，用于確保電壓軌正常工作。在 MCU 上連接一個(gè)外部 VREF 以保證精度，并確保內部 ADC 有一個(gè)冗余的基準電壓以保證穩健性，這種情況 并不罕見(jiàn)。通過(guò)添加一個(gè)外部 VREF，有可能得到一個(gè) 精確的 ADC，不需要校準就可以監控 1% 1V 電壓軌。

圖 2. 帶 MCU 的 REF3430-Q1 

為了確保系統符合誤差規格，務(wù)必要對信號鏈進(jìn)行表征 以了解電壓軌誤差，這一點(diǎn)非常重要。電壓軌誤差日趨 嚴格，因為允許的總誤差一直在減小，從而可以打造出 一個(gè)更優(yōu)化的系統。表征 MCU 中的信號鏈誤差時(shí)會(huì )存 在一個(gè)問(wèn)題，即內部基準電壓通常不會(huì )像外部電壓基準 那樣全面而深入地表征，而且往往缺乏最差值上限。因 此，很難計算出系統最壞情況下的誤差。使用外部基準 電壓可解決這一難題，如圖 2 中的 REF3430-Q1 所 示。

表 1. 典型的內核電壓軌監控

表 1 所示為關(guān)于電壓軌監控要求的一個(gè)示例，該要求 為通過(guò)微型計算機監控 ADAS 系統中精密 MCU 的 1V 電壓軌。由于某些電壓電源軌嚴格要求限制在一定的電 壓范圍內，我們希望確保信號鏈系統的總誤差小于 1%，這樣就可以測量偏差，在本例中偏差為 10mV。 

對于 1V 直流測量，可以通過(guò)一個(gè)外部基準電壓來(lái)計算 總誤差?？赏ㄟ^(guò)兩種方法來(lái)計算系統誤差：一種是最壞 情況法，另一種則是和的平方根 (RSS)法。誤差計算之 間的主要區別在于如何組合一個(gè)系統的各個(gè)誤差。在基 于最壞情況的誤差計算中，所有誤差都是它們最壞情況 的疊加，結果趨于保守，雖能確保每個(gè)器件都正常工 作，但主要缺點(diǎn)是要考慮到 6 個(gè)以上 Σ 的事件，這會(huì ) 使系統成本增加。最壞情況法的一種常見(jiàn)替代方法是基 于統計公差分析的 RSS 法。之所以使用 RSS，是因為 它提供了一個(gè)更實(shí)際的、基于分布的可接受限值。而在 本例中，我們使用 RSS 是因為它能夠更真實(shí)地表示誤 差。

表 2. REF3430-Q1 3V 規格

VREF 基準計算的總誤差是初始精度、溫度系數等所有 誤差的總和。為了計算總誤差，所有誤差都應采用通用 單位，如方程式 1 中的 ppm（百萬(wàn)分率）。通過(guò)校準 可以進(jìn)一步減小 VREF 總誤差，因為校準可以消除初 始精度和溫度系數等靜態(tài)誤差。本例中省略了焊接漂 移、負載調節、線(xiàn)路調節等誤差，但可以將這些誤差一 并加入，從而計算出 VREF 總誤差的更準確值。方程 式 1 所示為如何使用 RSS 法合并所有這些誤差。

表 3. 內部 MCU ADC 示例

選擇 ADC 時(shí)，找到一個(gè)誤差盡可能小的 ADC 非常重 要。本例使用了符合表 3 中所示規格的內部 MCU ADC。這種情況下的 ADC 總誤差也稱(chēng)為總體未調誤 差，它的計算方法類(lèi)似于使用 RSS 法計算 VREF 總誤 差。

進(jìn)行誤差計算時(shí)，ADC 的誤差是獨立的，但基準電壓 的誤差與 ADC 模擬輸入信號成正比。方程式 2 中計算 的 VREF 總誤差只有在模擬輸入信號為滿(mǎn)刻度時(shí)才有 效。在本例中，由于模擬輸入為 1V，而不是滿(mǎn)刻度電 壓，只有 VREF 總誤差的一小部分影響到模擬輸入， 這可在方程式 3 中看到。

在 ADC 規格下，使用方程式 4 將 VREF 總誤差轉換為 LSB，如此一來(lái)，使用方程式 5 中的 RSS 法可以合并 VREF 和 ADC。

表 4. 總誤差

表 4 總結了系統的最終誤差，因為外部基準電壓可以 幫助表征誤差以確保滿(mǎn)足最小精度。在實(shí)踐中，測量值 將比 RSS 總誤差更精確，但該誤差可以為實(shí)現改進(jìn)提 供一個(gè)基準。主要誤差來(lái)自 ADC，因此選擇更精確的 ADC 即可輕松減小系統的 ADC 誤差。還有一些技術(shù) 可用于改善基準電壓誤差，例如使用更高的外部基準電 壓。在表 5 中，有一些備選基準電壓器件可幫助減小 這種誤差或節省電力。

表 5. 備選器件建議