創(chuàng )新IC助汽車(chē)遠離車(chē)禍

在ADC中加入緩存意味著(zhù)FPGA或DSP可以比帶有緩存的產(chǎn)品更小，還能通過(guò)一個(gè)獨立的FIFO減少材料清單。

集成前端和數據轉換器

毫不令人奇怪的是，TI公司為激光雷達實(shí)現自適應速度控制提供了一個(gè)集成解決方案，即ADC08B200。除了ADC之外，ADC08B200還集成了時(shí)鐘倍頻器，因此允許使用低頻時(shí)鐘振蕩器。時(shí)鐘倍頻器可以將輸入時(shí)鐘頻率乘以1、2、4或8，因此使用低至25MHz的時(shí)鐘源就能實(shí)現200Msample/s采樣率。外部時(shí)鐘源甚至可以與FPGA/DSP/微控制器使用的時(shí)鐘相同。

此外，這款ADC的1kB緩存能夠降低對FPGA、DSP或微控制器的速度和復雜性要求。該緩存能以最高不超過(guò)200MHz的任何速率讀取，也可以旁路掉不用，在這種情況下，數據將以ADC采樣率連續輸出。在讀取緩存時(shí)可以將轉換器功能關(guān)閉以節省電能。

防止側翻

ADI公司在汽車(chē)安全方面提供了多款不同類(lèi)型的微機電系統(MEMS)器件。該公司在幾十年前研制氣囊系統的加速度計就開(kāi)始這方面的研究了。今天，ADI的MEMS陀螺儀可以在汽車(chē)處于側翻危險時(shí)通過(guò)調節剎車(chē)壓力來(lái)防止某些類(lèi)型的車(chē)禍。如果陀螺儀檢測到汽車(chē)即將失控，差動(dòng)制動(dòng)器就會(huì )啟動(dòng)以將汽車(chē)帶回到平直行駛狀態(tài)。

這種陀螺儀系統還被用于GPS系統中的航位推測功能，該功能能夠在臨時(shí)失去衛星信號時(shí)繼續提供定位信息。

據ADI公司透露，這款陀螺儀的電子和機械結構都集成在同一基板上。系統由一個(gè)機械傳感器結構和兩組電子元件組成。一組用于驅動(dòng)發(fā)生科里奧利(Coriolis)效應的諧振器結構中的振動(dòng)，另一組用于檢測電容結構中由科里奧利力導致的位移。

更具體地講，在這種MEMS陀螺儀中，有一個(gè)包含諧振塊的框體通過(guò)彈簧連接到基板。在一個(gè)方向(本例中為上和下)上以諧振頻率驅動(dòng)這個(gè)諧振塊，而彈簧的安裝相對諧振運動(dòng)呈90度。

在汽車(chē)行駛過(guò)程中，當諧振塊遠離旋轉中心移動(dòng)時(shí)，科里奧利效應將使它加速往右邊移動(dòng)，從而給框體施加一個(gè)向左的反作用力。當諧振塊向旋轉中心移動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)向右的力。這種移動(dòng)將改變電容結構中交叉感應的叉指間距離，從而導致電容容量的改變，并被讀作角速度的變化(圖2)。

圖2：ADI的MEMS陀螺儀結構(a)包含了一個(gè)由彈簧支撐的諧振塊和一個(gè)電容部件，在電容結構中，一塊“板”(實(shí)際上是一組手指)固定在框體上，另一塊隨諧振塊移動(dòng)。當它在距運動(dòng)中心的任意距離發(fā)生旋轉時(shí)(b)，發(fā)生的角位移將在振動(dòng)塊上產(chǎn)生科里奧利效應，從而改變電容值。

電容是一種由許多叉指組成的平面結構。機電振蕩器在其諧振點(diǎn)(約15kHz)驅動(dòng)這個(gè)機械結構。

設計檢測電路的挑戰非常艱巨。實(shí)際諧振器的位移在10 μm數量級，但電容中的物理位移只有1埃數量級——大約相當于氫原子的尺寸。從電氣角度看，這種位移導致的實(shí)際電容變化量約為90aF(attoFarad)。但噪聲的存在意味著(zhù)電路必須能夠處理約16費米(16×10-15米)移動(dòng)產(chǎn)生的約12zF(zeptoFarad)電容容量變化。

雖然許多讀者對幾乎每個(gè)科學(xué)博物館大廳中都會(huì )看到的旋轉陀螺和傅科擺(Foucault pendulums)中的科里奧利效應都非常熟悉，但描述這些器件時(shí)只能簡(jiǎn)單地說(shuō)，“就像微型傅科擺一樣?！盇DI公司在其線(xiàn)性電路設計手冊中詳細解釋了這一過(guò)程。

陀螺儀用于測量角速度，即物體旋轉得有多快。以合適的空間角度組合三個(gè)陀螺儀可以提供三維的角運動(dòng)信息：偏航角、傾斜度和搖擺度。

MEMS陀螺儀的靈敏度測量單位是每秒每度毫伏(mV/°/s)。例如ADI公司的模擬器件ADXRS300，其額定靈敏度是5mV/°/s，在滿(mǎn)量程輸入300°/s條件下輸出為1.5V。ADI公司更加復雜的產(chǎn)品可以集成3個(gè)軸，并提供具有自校準功能的數字輸出。

電容變化是非常微小的，這意味著(zhù)噪聲問(wèn)題是一個(gè)艱巨的挑戰。將包括放大器和濾波器在內的電路與機械傳感器放置在同一裸片上很有必要，這樣可以將以諧振器頻率變化的差分信號依據相關(guān)性從噪聲中提取出來(lái)。

一共有兩種噪聲源：隨機的原子振動(dòng)以及來(lái)自空氣分子的撞擊。奇怪的是，將電容結構裸露在空氣中可以取得更好的性能，即使代價(jià)是會(huì )產(chǎn)生額外的隨機噪聲，因為空氣相當于給內部結構加了一個(gè)防震的墊子。

ADI公司的某些陀螺儀利用了某種技巧來(lái)抑制高達1000g的沖擊。它們使用兩個(gè)諧振塊以差分方式檢測信號，并能抑制與角運動(dòng)不相關(guān)的共模外部加速。

兩個(gè)諧振塊在機械上是獨立的，并且驅動(dòng)相位差180°。因此，它們測量相同的旋轉幅度，但它們的輸出是相反方向的。這樣能抵消同時(shí)影響兩個(gè)傳感器的非旋轉信號，并使得使用兩個(gè)信號之差測量角速度成為可能。

電源總線(xiàn)上的瞬態(tài)干擾保護

自適應速度控制和側翻保護都是安全方面的問(wèn)題。但芯片制造商在汽車(chē)產(chǎn)品方面的創(chuàng )新已經(jīng)延伸到了更加基本的系統，例如運行這些乘客保護電子器件的電源總線(xiàn)以及重要性較低的一些系統，包括信息娛樂(lè )和導航系統。

如何保護電源總線(xiàn)上的器件免受瞬時(shí)電壓的干擾？問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，但設計實(shí)現起來(lái)并不容易。凌力爾特公司(Linear)的LTC6802和LTEC6803兩款產(chǎn)品可用于監視混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)(EV)的電池組中各節電池的性能，這些電池可以向汽車(chē)的牽引發(fā)動(dòng)機提供數百伏的電壓(圖3)。

車(chē)載電池組是相對較新的產(chǎn)品，但仍存出一個(gè)老問(wèn)題，不過(guò)最近該問(wèn)題獲得了一對新的解決方案，凌力爾特公司首席技術(shù)官Robert Dobkin透露。這些新的IC能夠利用一種尺寸非常小的器件解決較大的電源總線(xiàn)瞬態(tài)干擾問(wèn)題。