綜合平衡ADAS應(yīng)用中的電源要求

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

　　摘要：得益于高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，汽車駕駛正在變得越來越安全。這些系統(tǒng)中的攝像機與傳感器、成熟算法和微處理器相結(jié)合，可以在發(fā)現(xiàn)道路上的障礙物時提醒駕駛員、必要時幫助制動、指示盲區(qū)等。為確保正確工作，ADAS應(yīng)用要求供電電源符合特定精度以及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。本文探討確保汽車電池電壓正確調(diào)節(jié)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(yīng)用正在推動車載處理能力不斷提升，以運行先進(jìn)的算法來引導(dǎo)駕駛員更加安全地行駛。當(dāng)然，隨著處理能力越來越強大，為了符合系統(tǒng)性能目標(biāo)，就需要對電源進(jìn)行更好的管理。然而，鑒于汽車嘈雜的工作環(huán)境、多個電子子系統(tǒng)，功率限制條件下的綜合平衡電源需求就面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　在ADAS模塊、信息娛樂無線音響單元和智能儀表板等快速增長領(lǐng)域，許多汽車工程師通過多個電源軌為各個部件供電，通常具有特定的電壓調(diào)節(jié)精度要求(圖1)。為滿足這些嚴(yán)格的系統(tǒng)要求，能夠提供高精度、高靈活性和小尺寸的汽車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 滿足汽車子系統(tǒng)的電氣和電源需求

　　管理汽車子系統(tǒng)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(wěn)定電壓。所以穩(wěn)壓器就必須足以提供這些關(guān)鍵電路所需的電源，同時不產(chǎn)生太多的熱量。如果需要多個電源軌，就會有更多電壓和電流尖峰需要管理，事情就會變得非常復(fù)雜。汽車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(tǒng)(SoC)核心通常具有特定的電壓容限。如果電壓超出指標(biāo)范圍，就無法保證處理器性能。鑒于ADAS應(yīng)用的安全特性，這顯然是不可接受的。

　　接下來，汽車的電氣和熱環(huán)境也對此存在影響。汽車中直流電源軌的噪聲較大。當(dāng)汽車在不同的溫度環(huán)境下啟動時，例如冷啟動、熱啟動或拋負(fù)載等情況，會存在較大、突然的壓降。此類負(fù)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。例如，處理器處于待機模式時的功耗只有峰值功耗的大約三分之一。當(dāng)突然要求處理器執(zhí)行動作時，消耗的電流可能達(dá)到滿荷狀態(tài)。在這種情況下，開關(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，最后穩(wěn)定在其目標(biāo)電壓。處理此類負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵是采用設(shè)計良好的電源轉(zhuǎn)換器來管理輸出電壓擺動，防止擺動超出指標(biāo)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(zhàn)。汽車具有大量來自內(nèi)部和外部的射頻(RF)噪聲，由此導(dǎo)致的EMI可能會限制各種汽車子系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)在的汽車機身內(nèi)部包含從汽車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)到安全系統(tǒng)等大量電子子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)全部擁擠在非常狹小的空間內(nèi)。在外部，從移動電話到發(fā)射塔等所有設(shè)備都會發(fā)射噪聲，這些噪聲可能會影響汽車性能(圖2)。汽車OEM必須確保電子系統(tǒng)不發(fā)射過大EMI，并且能夠承受來自于其他子系統(tǒng)的噪聲(國際無線電干擾特別委員會的CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)對汽車內(nèi)傳導(dǎo)和輻射發(fā)射做出了規(guī)定)。

　　由于解決系統(tǒng)電源需求的選項有限，許多現(xiàn)有系統(tǒng)針對各個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直流電源軌采用一組線性和開關(guān)DC-DC調(diào)節(jié)器。但這種方法要求具備專業(yè)的知識，仔細(xì)選擇正確的元件，以滿足各個電源軌的要求。如果組合不當(dāng)，由于混頻原因，可能會發(fā)生EMI和干擾問題。有些人選擇在其設(shè)計中集成具有更大電容的元件，以抑制負(fù)載瞬態(tài)引起的電壓紋波，但具有較大電容的汽車級元件非常昂貴。至于EMI，用金屬外殼保護(hù)ADAS子系統(tǒng)免受輻射影響可能有效，但要綜合權(quán)衡由此增加的成本和重量。另一方面，事實證明擴(kuò)頻調(diào)制能有效抑制EMI。

　　3 符合EMI標(biāo)準(zhǔn)的汽車級PMIC

　　在滿足ADAS性能和電源要求的同時又要符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，這就要求專業(yè)的汽車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(kuò)頻振蕩器的加入可減輕EMI的影響。在整個溫度和工作電壓范圍內(nèi)具有高輸出精度，確保器件符合嚴(yán)格的SoC核心電壓要求。

　　符合汽車安全完整性等級(ASIL)要求可確保功能安全性。

　　Maxim豐富多樣的汽車級PMIC可配合任意微處理器或微控制器工作，在滿足電源要求的同時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(zhuǎn)換器，具有同步3.8 V至8.5 VOUT、750 mA boost轉(zhuǎn)換器、兩路同步1 A至3 A buck轉(zhuǎn)換器、2.2 MHz開關(guān)頻率和擴(kuò)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(zhuǎn)換器工作。

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

　　對于ADAS應(yīng)用中的攝像機，Maxim也提供如下新型攝像機保護(hù)PMIC。

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

　?、贛AX20019。雙路同步buck轉(zhuǎn)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(jié)論

　　攝像機、傳感器、微處理器以及其他用于ADAS應(yīng)用的底層元件在下一代汽車中將越來越普及，對精確管理供電電源的要求也會越來越嚴(yán)格。汽車級PMIC綜合平衡電源需求和功率約束，同時滿足小尺寸方案要求，對確保安全功能的正常工作發(fā)揮著重要作用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Maxim適用于ADAS應(yīng)用的電源管理技術(shù)[R/OL].www.maximintegrated.com/adas

　　作者簡介：

　　四位作者均來自Maxim汽車事業(yè)部。

　　Warren Tsai，總監(jiān)。

　　Jangho Jeon，資深業(yè)務(wù)經(jīng)理。

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

　　George Chen，業(yè)務(wù)經(jīng)理。

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