保護(hù)自動(dòng)駕駛汽車（AV）控制電路

關(guān)鍵任務(wù)子系統(tǒng)必須高可靠性，以確保駕駛員和乘客安全。

圖1

AV攝像機(jī)子系統(tǒng)中的電路塊（圖2）。 攝像機(jī)電源子系統(tǒng)需要保護(hù)以防止過電流，高能量瞬變和靜電放電

雙通道二極管陣列保護(hù)CAN收發(fā)器線路（圖3）

圖4 以太網(wǎng)收發(fā)器的推薦ESD保護(hù)

雷達(dá)子系統(tǒng)電路同時(shí)具有低噪聲和常規(guī)直流電源（圖5）

TVS和肖特基二極管為ADAS通信/控制電路提供浪涌和反極性保護(hù)（圖6）

除非車輛的電子電路具有高度的可靠性和抗電沖擊能力，否則自動(dòng)駕駛汽車（AV）所提供的安全性和便利性無法實(shí)現(xiàn)。 通過提供過電流保護(hù)，瞬態(tài)浪涌保護(hù)，靜電放電（ESD）保護(hù)和反極性保護(hù)，設(shè)計(jì)人員可以大大降低電路故障的風(fēng)險(xiǎn)。 電路保護(hù)的策略應(yīng)從三個(gè)關(guān)鍵任務(wù)的AV子系統(tǒng)開始：攝像機(jī)，雷達(dá)和ADAS。

保護(hù)攝像機(jī)子系統(tǒng)

在自動(dòng)駕駛汽車中，多個(gè)攝像機(jī)提供基本的前向和后向視覺，共同提供深度感知，并通過CCD/CMOS（電荷耦合器件/互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器將可見光轉(zhuǎn)換為發(fā)送到通信和控制電路的電子信號(hào)。圖2顯示了攝像機(jī)子系統(tǒng)中的電路塊。需要保護(hù)元件的關(guān)鍵模塊是與外部電路連接的模塊。

攝像機(jī)電源子系統(tǒng)需要防止三種潛在的損壞來源：過電流、高能量瞬變和靜電放電。熔斷器提供過電流保護(hù)。設(shè)計(jì)人員可以選擇傳統(tǒng)的一次性陶瓷熔斷器或聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）可復(fù)位熔斷器。兩種元件均可滿足汽車要求的寬溫度額定值。

PPTC具有在發(fā)生過電流的情況下不需要更換的優(yōu)點(diǎn)。這種專用熔斷器在響應(yīng)過電流產(chǎn)生的熱量時(shí)，電阻會(huì)顯著增加。消除過電流后，PPTC恢復(fù)到低電阻并重置電路。這兩種元件類型都有表面貼裝封裝，以節(jié)省寶貴的PC板空間。

除了過電流外，電源電路還需要保護(hù)，以防車內(nèi)電源（如電機(jī)通電和斷電）引起的高能、能量瞬變。電路必須能夠承受ISO標(biāo)準(zhǔn)7637和16750定義的瞬變。兼容元件包括瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管，它可以安全地吸收上述參考標(biāo)準(zhǔn)中脈沖1、2、3和5中規(guī)定的低能量瞬態(tài)和高能量瞬態(tài)。

收發(fā)器解決方案

為避免電源電壓極性意外反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生災(zāi)難性故障，設(shè)計(jì)人員可以讓保險(xiǎn)絲串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。在提供反極性保護(hù)的同時(shí)，二極管的低正向電壓降對(duì)電源性能的影響最小。

控制器局域網(wǎng)（CAN）協(xié)議收發(fā)器需要針對(duì)靜電放電，快速電氣瞬變和其它過電壓瞬變的保護(hù)。二極管陣列具有較高的靜電放電可靠性，其模型具有30 kV空氣和30 kV接觸放電能力。這些器件用于幫助設(shè)計(jì)人員滿足道路車輛靜電放電的ISO 10605標(biāo)準(zhǔn)。此外，二極管陣列的電容約為15 pF，漏電流低于1μA，因此不會(huì)干擾協(xié)議傳輸。這些器件還可以在-40°C至+ 150°C的溫度范圍內(nèi)工作，以適應(yīng)汽車環(huán)境。

保護(hù)CAN收發(fā)器的推薦電路如圖3所示。兩通道二極管陣列可以保護(hù)CAN總線2根數(shù)據(jù)線。 單個(gè)保護(hù)元件有助于降低生產(chǎn)中的取放成本。 像CAN收發(fā)器一樣，以太網(wǎng)收發(fā)器也需要ESD保護(hù)。 二極管陣列和聚合物ESD抑制器可為高速差分?jǐn)?shù)據(jù)線提供必要的保護(hù)。 這些二極管陣列的型號(hào)可以提供高達(dá)±30 kV的ESD保護(hù)，并可以在單個(gè)封裝中保護(hù)差分線對(duì)以節(jié)省空間。0402版本也可作為分立元件提供，以實(shí)現(xiàn)PC電路板布局的靈活性。

在結(jié)電容必須是絕對(duì)最低的系統(tǒng)中，可以考慮使用0.04pF的聚合物靜電抑制器(AXGD1系列)。在電容如此低的情況下，它不會(huì)阻礙1千兆位以太網(wǎng)的傳輸速率。圖4中顯示了與OPEN Alliance以太網(wǎng)組織的建議相一致的配置和元件的示例。

最重要的電路模塊是圖像傳感器模塊，需要一種雙極性低電容保護(hù)元件。該二極管可承受高達(dá)±30kV的ESD沖擊，具有極低的泄漏電流(典型值低于10nA)和約0.35pF的電容。為了節(jié)省空間，這種ESD二極管采用1.0 mm x 0.5 mm的超小型SOD882封裝。

保護(hù)攝像機(jī)子系統(tǒng)與外部電路和外部環(huán)境相連接的四個(gè)電路模塊將確保一個(gè)強(qiáng)大、可靠的可見光探測(cè)系統(tǒng)。盡可能靠近電路輸入端使用推薦的元件將防止外來能量損壞關(guān)鍵電路。

保護(hù)雷達(dá)子系統(tǒng)

雷達(dá)子系統(tǒng)為重要的前方和側(cè)面行人檢測(cè)和避撞功能提供輸入。如圖5所示，雷達(dá)子系統(tǒng)電路有兩個(gè)直流電源。低噪聲電源為模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)和雷達(dá)接收機(jī)電路模塊供電。傳統(tǒng)電源為邏輯和通信電路供電。與攝像機(jī)子系統(tǒng)電源一樣，雷達(dá)子系統(tǒng)電源也需要過電流保護(hù)、瞬態(tài)浪涌保護(hù)、反極性保護(hù)和ESD保護(hù)。

一組元件可以保護(hù)兩個(gè)電源免受過電流和反極性的影響。同樣，設(shè)計(jì)者可以從傳統(tǒng)的表面貼裝保險(xiǎn)絲或PPTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲中進(jìn)行選擇。低正向電壓肖特基二極管與兩個(gè)電源的輸入線串聯(lián)，將為電源和所有雷達(dá)子系統(tǒng)電路塊提供反極性保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在每個(gè)電源的輸入端為每個(gè)電源提供浪涌保護(hù)。

建議使用TVS二極管作為浪涌保護(hù)元件。設(shè)計(jì)人員根據(jù)TVS二極管的瞬時(shí)額定功率(400W/600W適用于低功率瞬變，1500 W至7000W適用于高功率瞬變)選擇TVS二極管來保護(hù)電源。波形發(fā)生器和模擬前端分別是雷達(dá)發(fā)射機(jī)和雷達(dá)接收機(jī)的一部分。它們與發(fā)射器和接收器模塊(在圖5中)分開，因?yàn)樵诎l(fā)射器輸出和接收器輸入模塊上添加保護(hù)元件會(huì)改變它們的傳輸和接收阻抗。保護(hù)元件可以保護(hù)盡可能多的電路。

與攝像機(jī)子系統(tǒng)中推薦用于圖像傳感器的ESD二極管類似的雙極性元件將提供必要的ESD保護(hù)。 與攝像機(jī)子系統(tǒng)一樣，雷達(dá)子系統(tǒng)將其信息傳輸?shù)杰囕v的中央處理子系統(tǒng)。 雙極二極管陣列為CAN I / O線的高側(cè)和低側(cè)均提供ESD保護(hù)。以太網(wǎng)收發(fā)器可以使用二極管陣列或聚合物ESD抑制器來最大程度地減少信號(hào)失真，并且不會(huì)影響以太網(wǎng)傳輸速率。

保護(hù)ADAS通信和控制

信號(hào)處理，通信和控制子系統(tǒng)（圖6）操作車輛。 它必須是高可靠性的和無故障的。 該電路必須識(shí)別出正在行駛的其它車輛，可能由于動(dòng)物或人擋住車輛的路徑而需要快速停車，并且需要對(duì)故障傳感器做出故障安全響應(yīng)。 故障安全固件至關(guān)重要，但能夠承受瞬態(tài)能量沖擊的硬件也至關(guān)重要。 向控制器提供信息的所有電路模塊都需要防靜電放電保護(hù)。

電源需要過電流保護(hù)、浪涌保護(hù)和反極性保護(hù)。該電源的熔斷器可以位于模塊內(nèi)，也可以位于車輛上游的低壓接線盒。通過浪涌功率額定值選擇的TVS二極管可提供必要的浪涌瞬變保護(hù)。與電源輸入線串聯(lián)的肖特基二極管可提供反向電壓極性保護(hù)。

每條通信鏈路都需要針對(duì)每個(gè)端口的獨(dú)特性能和配置而設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)。 下表列出了ADAS通信和控制子系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議及其不同的數(shù)據(jù)速率。 設(shè)計(jì)人員可以從各種具有獨(dú)特特性的二極管陣列和聚合物ESD抑制器中進(jìn)行選擇，以保護(hù)每條通信鏈路，而不會(huì)影響其數(shù)據(jù)速率或其高至低電壓差。

任何直接連接到DSP電路模塊的信號(hào)線都應(yīng)具有ESD保護(hù)。設(shè)計(jì)人員可以使用二極管陣列或聚合物ESD抑制器，為差分信號(hào)線提供雙極保護(hù)。設(shè)計(jì)人員有多種元器件可用來保護(hù)電路免受上述潛在應(yīng)力的影響。依靠AEC-Q合格元件既可以加速符合認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，又能讓設(shè)計(jì)人員確信元件將提供必要的保護(hù)級(jí)別。

 Jim Colby是Littelfuse的營(yíng)銷工程師。 大家可以通過郵箱與他聯(lián)系。 有關(guān)汽車電路保護(hù)的更多信息，請(qǐng)參見《 Littelfuse汽車電子應(yīng)用指南》。