智駕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)瓶頸之：電源管理和功耗分配

高階自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其域控內(nèi)部的架構(gòu)通常涉及主控芯片MCU、計(jì)算芯片SOC、電源管理模塊芯片PMIC、加解串器、CAN收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等等。提到的這些設(shè)計(jì)要素從底層上并不只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行了一定程度的硬件連接布線，而是從軟件的角度包含涉及的相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置、電源管理、存儲(chǔ)配置等都需要同步進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件模塊開發(fā)。其中， 電源配置和網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)配置作為兩種比較重要的高階域控配置單元，一直是系統(tǒng)架構(gòu)師、硬件架構(gòu)師以及軟件架構(gòu)師需要攻克的部分設(shè)計(jì)內(nèi)容。

本文將以一種行業(yè)內(nèi)爆火的電源管理芯片PMIC所組建的典型的系統(tǒng)架構(gòu)為例來(lái)對(duì)電源管理方案進(jìn)行詳細(xì)電源管理說(shuō)明和網(wǎng)絡(luò)管理說(shuō)明。其中包含兩個(gè)電源管理模塊PMIC（典型的TPS6594-Q1器件）之間的配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)以及具有獨(dú)立MCU和主電源軌的 DRA829V（TI 的DRA829V 是一款雙Arm? Cortex?-A72，四核Cortex?-R5F，8 端口以太網(wǎng)和4 端口PCIe 交換機(jī)。） 或 TDA4VM （智駕域控SOC處理器）。

TDA4系列芯片可作為一種經(jīng)典的低級(jí)別版本的超異構(gòu)芯片，其對(duì)應(yīng)的內(nèi)部處理器可作為主處理的獨(dú)立安全監(jiān)視器（MCU 安全島）資源，需要確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。MCU處理器需要保持最少的系統(tǒng)操控能力（又稱MCU Only 模式）以顯著降低處理器功耗，從而延長(zhǎng)待機(jī)用例期間的電池壽命并降低組件溫度。

不同的智駕系統(tǒng)架構(gòu)電源管理Profile

當(dāng)然，行業(yè)內(nèi)對(duì)于智駕系統(tǒng)芯片的使用程度和場(chǎng)景根據(jù)其應(yīng)用需求各不相同。作為初級(jí)版本的超異構(gòu)芯片，一般情況下，L2級(jí)別需要5 TOPS的算力，L3需要100+ TOPS的算力，L4為300+ TOPS。因此，低階駕駛輔助系統(tǒng)（L0~L2）通常采用單芯片如TDA4VM（8Tops+25KDMIPs）可以滿足對(duì)算力的整體需求。而對(duì)于次高階（L2+~L4）這樣的芯片的處理能力變顯得有些力不從心。考慮當(dāng)前整個(gè)業(yè)內(nèi)研發(fā)的重心多傾向于L2+這樣的系統(tǒng)。因此，本文所介紹的電源分配管理方案主要考慮多片SOC的情況，比如典型的TDA4 VH、8650等為例進(jìn)行架構(gòu)說(shuō)明。

如下圖表示了純異構(gòu)芯片架構(gòu)與超異構(gòu)芯片在電源控制邏輯中的差異。

從域控架構(gòu)設(shè)計(jì)上，超異構(gòu)芯片往往是所有計(jì)算資源都集中到一片芯片上進(jìn)行，且該芯片也是基本上會(huì)對(duì)智駕域控中的所有相關(guān)聯(lián)的所有芯片（如加解串器、交換機(jī)、Can收發(fā)器、攝像頭控制端）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以及供電控制。因此，對(duì)于這類控制連接我們通常稱之為串聯(lián)式控制，即電源的控制鏈路通常由統(tǒng)一的PMIC對(duì)中央芯片進(jìn)行統(tǒng)一管理。當(dāng)然，如果考慮架構(gòu)低功耗的特點(diǎn)，也可能將該控制中央芯片的PMIC拆分成主從兩路分別進(jìn)行控制。主路實(shí)現(xiàn)全功耗下的電源控制管理。從路則是實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶有降功耗的需求情況下的單獨(dú)電源管理（比如只通過(guò)PMIC鏈路設(shè)置激活其中的內(nèi)部MCU Only模塊）。

而對(duì)于純異構(gòu)芯片智駕域控架構(gòu)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行電源樹設(shè)計(jì)時(shí)，則通常參照單片單控的方式，比如如果考慮MCU、SOC、GPU三類芯片如果集成到同一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，則通常是采用分離式電源控制方式，即各芯片電源單獨(dú)進(jìn)行開閉控制。而像加解串器、CAN收發(fā)器這類芯片的電源啟閉控制則是根據(jù)用戶定制需求搭載單獨(dú)的電源控制模塊。比如考慮單獨(dú)對(duì)喚醒CAN進(jìn)行電源控制，或者單獨(dú)對(duì)bypass的影像輸出控制進(jìn)行電源控制。又如Switch這類芯片則可以單獨(dú)通過(guò)MCU來(lái)進(jìn)行開閉控制。

智能駕駛系統(tǒng)基礎(chǔ)電源樹設(shè)計(jì)

如下圖表示了本文即將詳細(xì)介紹的智能駕駛系統(tǒng)電源樹結(jié)構(gòu)。該電源樹的前端供電整體有整車電源電池進(jìn)行?？紤]到智駕系統(tǒng)對(duì)電源的巨大消耗，通常情況下，該供電電源是采用的高壓大電池供電模式。當(dāng)然，在某些特殊情況下，也可以切換為小電池供電（比如對(duì)下電一定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)的哨兵模式，或者新能源車在行駛后期激活的長(zhǎng)續(xù)航模式）。另外，對(duì)于電源喚醒來(lái)說(shuō)，也有不同的喚醒方式（ACC檔直接通過(guò)IG ON上電打火，CAN網(wǎng)絡(luò)喚醒報(bào)文注入，亦或者其他考慮需要對(duì)單獨(dú)啟動(dòng)芯片喚醒工作的機(jī)制）。

整個(gè)上電管理流程涉及的初始DCDC降壓轉(zhuǎn)化，一般是對(duì)12V電池供電根據(jù)需求轉(zhuǎn)化為較低電壓，如5V、3.3V等電壓值供不同的芯片進(jìn)行使用。比如TDA4要求3.3V供電，其他芯片需要5V電壓供電，那么只需要在接上PMIC電源管理模塊初始變壓后，便可以直接通過(guò)電壓分配控制對(duì)智駕系統(tǒng)主體運(yùn)算芯片進(jìn)行供電。當(dāng)然也有一些芯片（如加解串器1.0V-1.8V、CAN收發(fā)器5V、以太網(wǎng)Switch1.0V-3.3V等）是需要在初始降壓配置后根據(jù)自身需求進(jìn)行二次變壓處理Post DCDC。此外，由于智駕系統(tǒng)啟動(dòng)和數(shù)據(jù)處理之間會(huì)有相互的依賴關(guān)系。通常情況是根據(jù)其處理數(shù)據(jù)源的不同，會(huì)考慮將中央運(yùn)算芯片SOC/MCU作為對(duì)其余芯片的控制使能端。比如，SOC如果用于對(duì)視覺感知輸入源的數(shù)據(jù)處理，那么就需要在SOC與加解串器以及與直連的攝像頭直接供電的Power Switch之間設(shè)置控制連接線（如IIC線）作為使能線調(diào)節(jié)。此外，如果MCU作為毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理終端（做軌跡規(guī)劃），其控制著對(duì)毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)的輸入和處理的中心任務(wù)，相應(yīng)的Can收發(fā)器的使能和電源控制可由智駕域控的MCU進(jìn)行直接控制也可以直接接入車輛常電。

整個(gè)電源樹設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行包含電壓反向設(shè)計(jì)Reverse Voltage、喚醒響應(yīng)設(shè)計(jì)WakeUp、穩(wěn)壓設(shè)計(jì)/變壓設(shè)計(jì)（DCDC、LDO、PMIC）、電源交換機(jī)設(shè)計(jì)Power Switch等。如下羅列了幾種典型的芯片選型及相應(yīng)的特征參數(shù)說(shuō)明。

1）LDO（MPQ20051）：低壓差線性穩(wěn)壓器，可提供高達(dá)1A的電流和140mV的電壓。當(dāng)輸入電壓為2.5V到5.5V時(shí)，其相應(yīng)的調(diào)整輸出電壓范圍從0.8V到5V。內(nèi)部 PMOS 傳輸元件允許130uA 的低接地電流，使MPQ20051適用于電池供電設(shè)備。其他功能包括低功耗關(guān)斷、短路和熱保護(hù)。

2）DCDC（MAX20074ATBA/V+）：表示降壓開關(guān)穩(wěn)壓器 IC。最低的汽車同步降壓控制器，在輕負(fù)載時(shí)僅使用3.5μA 的靜態(tài)電流。

3）DCDC（MPQ2166）：是一款內(nèi)部補(bǔ)償、雙路、PWM、同步、降壓穩(wěn)壓器，可在 2.7V 至 6V 輸入電壓下工作，并產(chǎn)生低至 0.6V 的輸出電壓。MPQ2166 可配置為 2A/2A 或 3A/1A 輸出電流調(diào)節(jié)器，由于靜態(tài)電流低至 60μA。MPQ2166 具有峰值電流模式控制和內(nèi)部補(bǔ)償，并且能夠進(jìn)行低壓差配置。兩個(gè)通道都可以100%占空比運(yùn)行，完整的保護(hù)功能包括逐周期電流限制和熱關(guān)斷。

4）PowerSwitch（MAX20086–MAX20089）：雙路/四路攝像頭電源保護(hù)器 IC 為其四個(gè)輸出通道中的每一個(gè)通道提供高達(dá) 600mA 的負(fù)載電流。

至于PMIC的芯片這里主要應(yīng)用了如下幾種，實(shí)現(xiàn)不同的電源管理控制。

5）PMIC（PF71）：這是專為高性能 i.MX 8 處理器設(shè)計(jì)的電源管理集成電路。它具有五個(gè)高效降壓轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，用于為處理器、內(nèi)存和其他外圍設(shè)備供電。內(nèi)置一次性可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)關(guān)鍵的啟動(dòng)配置，大大減少了通常用于設(shè)置輸出電壓和外部穩(wěn)壓器順序的外部組件。穩(wěn)壓器參數(shù)可在啟動(dòng)后通過(guò)高速 I2C 進(jìn)行調(diào)整，為不同的系統(tǒng)狀態(tài)提供靈活性。

6）PMIC（TPS6594-Q1）：TPS6594-Q1 作為一種電源管理芯片 IC ，具有 5 個(gè) BUCK 和 4 個(gè) LDO，在行業(yè)內(nèi)特別適用于智駕安全相關(guān)汽車應(yīng)用。器件可提供四個(gè)具有3.5A 輸出的靈活多相可配置 BUCK 穩(wěn)壓器單相電流，以及一個(gè)額外的 BUCK 穩(wěn)壓器具有2 A輸出電流。每個(gè)輸出都單獨(dú)受到電池短路、接地短路和過(guò)流情況的保護(hù)。這些 IC 采用 3V 至 5.5V 電源和 3V 至 15V 相機(jī)電源供電，輸入至輸出壓降在300mA 時(shí)僅為 110mV（典型值）。

7）Primary DCDC（MAX20098）：汽車類2.2MHz同步降壓控制器 IC，具有3.5μA IQ。該 IC 采用 3.5V 至 42V 的輸入電壓供電，并且可以在壓降條件下以 99% 的占空比運(yùn)行。這種方式適用于具有中高功率要求且在寬輸入電壓范圍的情況下運(yùn)行的應(yīng)用，例如在汽車?yán)鋯?dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)停止啟動(dòng)條件下提供必要的電壓。該IC還提供時(shí)間同步信號(hào) SYNC的輸出，使兩個(gè)控制器能夠并行運(yùn)行。FSYNC 輸入可編程性支持三種頻率模式來(lái)優(yōu)化性能：強(qiáng)制固定頻率操作、具有超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時(shí)鐘的同步。該 IC 用于頻率調(diào)制的可編程擴(kuò)頻選項(xiàng)時(shí)，可以最大限度地減少 EMI 干擾。

基于實(shí)例的電源網(wǎng)絡(luò)管理

本文通過(guò)詳細(xì)介紹雙PMIC（TPS6594-Q1）電源如何連接到典型的處理器和其他外圍組件用例，從而可以有效的支持電源分布式網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network，PDN）。電源網(wǎng)絡(luò)管理模塊PDN可根據(jù)其處理器的電力需求來(lái)實(shí)現(xiàn)主微處理核MCU和其余高運(yùn)算能力芯片電壓資源的板級(jí)隔離。同時(shí)，利用這種板級(jí)電源隔離實(shí)現(xiàn)理想的產(chǎn)品功能體系結(jié)構(gòu)。

對(duì)于整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)PDN的設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

①　PDN電源連接

②　PDN數(shù)字控制連接

③　主副PMIC默認(rèn)內(nèi)部模塊管理NVM內(nèi)容

④　PMIC排序設(shè)置以支持高級(jí)處理器的不同PDN電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換

下圖顯示了雙 TPS6594-Q1的PMIC電源管理和處理器之間的電源映射，該種連接方式支持獨(dú)立 MCU 和主電源軌所需的電壓域。

如上圖所示，PDN 在輸入電源和PMIC之間需要有一個(gè)串聯(lián)的外部功率 FET。PMIC通過(guò)OVPGDRV 引腳實(shí)現(xiàn)FET前后的電壓監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到大于 6 V 的過(guò)壓事件時(shí)，F(xiàn)ET 可以在輸入電源上快速隔離 PMIC，以保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。這包括來(lái)自的所有電源軌場(chǎng)效應(yīng)管輸出信號(hào)，F(xiàn)ET 上游連接的任何電源都不受過(guò)壓事件的保護(hù)。MCU和主要 I/O 域供電的負(fù)載開關(guān)，分立式降壓電源DDR 和為 EFUSE 供電的分立式穩(wěn)壓器LDO 都連接到了 FET 之后，這樣可以延長(zhǎng)對(duì)這些處理器域和分立電源的過(guò)電壓保護(hù)能力。

此外，從如上圖所示的整個(gè)電源管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，還包含如下一些相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

在如上配置中，兩個(gè) PMIC使用 3.3 V 輸入電壓。對(duì)于功能安全應(yīng)用，在VCCA之前有一個(gè)保護(hù)FET連接到主PMIC的OVPGDRV引腳，允許監(jiān)控PMIC的輸入電源電壓。VCCA電壓必須是施加到 PMIC 設(shè)備的第一個(gè)電壓，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通過(guò)負(fù)載開關(guān)為對(duì)應(yīng)PDN中的VIO_IN 供電。該負(fù)載開關(guān)還提供了VDDSHVx_MCU 處理器的電壓源，通過(guò)引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信號(hào)可以確保在MCU Only低功耗模式期間可以保持活動(dòng)狀態(tài)，并在DDR做數(shù)據(jù)保存（也稱為掛起到 RAM）期間被禁用以降低PMIC功耗。

對(duì)于雙電壓I/O情況需要支持包含3.3V 和 1.8V兩種情況。使用一種具有邏輯高電平默認(rèn)值的處理端 LDO可以通過(guò)GPIO控制信號(hào)將初始的電壓I/O值設(shè)置為3.3 V。處理器上電期間，引導(dǎo)加載程序SW 可以將 GPIO 信號(hào)設(shè)置為低電平，從而確保使用端根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)碾娖剑?.8 V）。同時(shí)，在未啟動(dòng) MCU 的情況下，PMIC可以控制 LDO1 電壓處理器在操作系統(tǒng)啟動(dòng)期間與PMIC建立 I2C 通信。

這里我們可以舉例說(shuō)明對(duì)一些超異構(gòu)芯片是如何實(shí)現(xiàn)MCU Only的控制邏輯。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在電源分布式網(wǎng)絡(luò) PDN 中使用是四個(gè)分立電源組件，其中三個(gè)是必需的，一個(gè)是可選的，具體取決于根據(jù)最終產(chǎn)品的特點(diǎn)。兩個(gè)TPS22965-Q1負(fù)載開關(guān)將 VCCA_3V3 電源軌連接到電源保護(hù)處理器 I/O 域。通常需要兩個(gè)負(fù)載開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)隔離計(jì)算域NPU和實(shí)時(shí)域MCU，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)控制，當(dāng)然也可以在MCU Only低功耗操作的主處理器之間建立電源隔離。TPS62813-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器也可以為存儲(chǔ)單元 LPDDR4 SDRAM 組件提供所需的電源電壓（1.1V）。

從TPS6594-Q1 器件到處理器的其他連接GPIO線路也可以通過(guò)信號(hào)來(lái)提供錯(cuò)誤監(jiān)控、處理器復(fù)位、處理器喚醒和系統(tǒng)低功耗模式。特定的 GPIO 引腳需要分配給特定的按鍵信號(hào)，這樣可以確保在只有少數(shù) GPIO 引腳的情況下保持正常運(yùn)行在低功耗模式下。