汽車: ADAS 前置攝像頭設(shè)計(jì)面臨的四大電源挑戰(zhàn)

前置攝像頭是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的重要組件，尤其是鑒于現(xiàn)在的新車碰撞測試要求將自動(dòng)緊急制動(dòng)和正面防撞作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)功能。前置攝像頭有助于實(shí)現(xiàn)其他 ADAS 功能，例如自適應(yīng)巡航控制、行人檢測、車道保持輔助和交通標(biāo)志識(shí)別。

圖 1 中的示例演示了如何使用攝像頭進(jìn)行物體檢測以啟用 ADAS 功能。

圖 1：使用攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)處理

為了執(zhí)行視覺預(yù)處理、深度和運(yùn)動(dòng)加速或 AI 網(wǎng)絡(luò)處理等處理任務(wù)以支持 ADAS 功能，系統(tǒng)中的片上系統(tǒng) (SoC) 需要高效的電源。在設(shè)計(jì) ADAS 前置攝像頭時(shí)，面臨以下四大電源挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：小尺寸解決方案

由于前置攝像頭位于擋風(fēng)玻璃上，因而對(duì)其尺寸有嚴(yán)格的要求。攝像頭模塊可以包括一個(gè)或兩個(gè)攝像頭：一個(gè)用于提供更寬的視野或更高的分辨率，另一個(gè)用于觀察更遠(yuǎn)的距離。

雖然市場上大多數(shù)應(yīng)用中使用的是單攝像頭模塊，但雙攝像頭模塊正越來越流行，以便更好地觀察車輛周圍環(huán)境并實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自主性。高分辨率和更高幀速率的攝像頭模塊也是發(fā)展趨勢。在攝像頭性能提高的同時(shí)，攝像頭模塊本身的尺寸也在不斷縮小，典型尺寸為 18mm x 18mm。

遠(yuǎn)程攝像頭模塊使用串行器/解串器 (SerDes) 鏈路將數(shù)據(jù)從攝像頭模塊發(fā)送到電子控制單元 (ECU)。前置攝像頭模塊與前置攝像頭 ECU 并置，使用攝像頭串行接口 (CSI)-2 能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到 ECU 電路板。前置攝像頭中的攝像頭模塊輸入電源電壓可低至 5V，而同軸電纜供電的遠(yuǎn)程攝像頭模塊通常為 9V。前置攝像頭模塊子板上的多通道電源管理 IC (PMIC) 采用低壓輸入，能夠?yàn)槌上駜x以及攝像頭模塊上的所有其他處理任務(wù)供電。在通過 CSI-2 將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)紼CU 之前，可以先使用板載微控制器 (MCU) 完成處理。攝像頭模塊上的 MCU 可以執(zhí)行像素級(jí)圖像信號(hào)處理，或者由獨(dú)立芯片進(jìn)行此處理。其中，遠(yuǎn)程攝像頭模塊中常見的 SerDes 芯片組無需供電軌。具有適當(dāng)數(shù)量電源軌的低壓 PMIC 可以為攝像頭模塊上的圖像傳感器和其他外設(shè)供電，有助于實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的小空間。

圖 2 顯示了前置攝像頭的系統(tǒng)方框圖。該系統(tǒng)通常位于擋風(fēng)玻璃后面靠近后視鏡的位置，包括執(zhí)行處理的前置攝像頭ECU 和容納圖像傳感器的攝像頭模塊。

圖 2：前置攝像頭系統(tǒng)方框圖 

前置攝像頭應(yīng)用中使用的視覺處理器具有被稱為視覺處理加速器的專用硬件加速器，以及能夠用于檢測邊緣物體的深度和運(yùn)動(dòng)感知加速器。此外，這些處理器可能具有人工智能 (AI) 功能，并配有專用的矩陣乘法加速器來幫助進(jìn)行深度學(xué)習(xí)?？紤]到如此大的處理量，PMIC 必須能夠在不增加解決方案尺寸的情況下滿足處理器的當(dāng)前要求。 

PMIC 應(yīng)具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)以滿足 AI 處理器的負(fù)載瞬態(tài)要求，并采用較小的輸出電容來保持小巧的解決方案尺寸。集成降壓穩(wěn)壓器、低壓差穩(wěn)壓器、負(fù)載開關(guān)、電壓監(jiān)測器、序列發(fā)生器、看門狗計(jì)時(shí)器、錯(cuò)誤信令模塊和附加通用輸入/輸出有助于減小解決方案的尺寸。特別是與具有多個(gè)分立式元件并會(huì)增加整體尺寸和成本的解決方案相比，尺寸大幅減小。

該應(yīng)用中常用的電源樹架構(gòu)將構(gòu)建兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，有助于保持總效率并能夠?qū)⒔M件溫度保持在可接受的范圍內(nèi)。在這種電源樹架構(gòu)中，前級(jí)直流/直流轉(zhuǎn)換器將 12V 電池電壓降壓至多通道 PMIC 的調(diào)節(jié)中間電壓（例如，5V 或 9V）。前級(jí)直流/直流轉(zhuǎn)換器應(yīng)選用寬輸入電壓降壓轉(zhuǎn)換器，能夠支持 12V 電池電壓驟降至 3V 以及浪涌至高達(dá) 36V 的瞬態(tài)電壓。

挑戰(zhàn)二：功能安全

由于自動(dòng)緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制涉及前置攝像頭，因此功能安全尤為重要。前置攝像頭系統(tǒng)通常具有汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) B 要求。這意味著處理器的 PMIC 電源必須能夠滿足 ASIL B 要求，從而幫助實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)級(jí)功能安全要求。

以下是 ASIL B PMIC 應(yīng)該具備的一些功能：

• PMIC 電源軌的電壓監(jiān)測器

• 用于檢測系統(tǒng)其他電源軌的附加監(jiān)測器

• 帶隙冗余

• 用于檢測軟件故障的看門狗計(jì)時(shí)器

• 用于檢測硬件故障的錯(cuò)誤信令監(jiān)測器

挑戰(zhàn)三：低成本

由于乘用車和輕型商用車中大量采用前置攝像頭，因此降低攝像頭系統(tǒng)的成本至關(guān)重要。預(yù)計(jì)到 2028 年，前置攝像頭系統(tǒng)的銷量將超過 7000 萬臺(tái)，是車輛中常見的 ADAS 應(yīng)用。

高產(chǎn)量會(huì)給一級(jí)供應(yīng)商帶來成本壓力，進(jìn)而為半導(dǎo)體供應(yīng)商帶來壓力。通過減少物料清單數(shù)量、選擇集成組件、選擇合適的技術(shù)節(jié)點(diǎn)以及保持較低的器件成本，可以降低整體系統(tǒng)的成本。PMIC 尺寸小巧，集成了多個(gè)電源元件，有助于實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢并能夠優(yōu)化成本。

挑戰(zhàn)四：熱性能

由于前置攝像頭位于車輛擋風(fēng)玻璃上，因此在正常工作條件時(shí)前置攝像頭會(huì)暴露在高溫下。熱量會(huì)造成熱噪聲并導(dǎo)致圖像質(zhì)量不佳，在弱光條件下更是如此。前置攝像頭需要較小的印刷電路板面積，加上攝像頭模塊中的攝像頭會(huì)發(fā)熱，這進(jìn)一步增加了該應(yīng)用的散熱挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)各種工作條件，系統(tǒng)的熱性能優(yōu)化至關(guān)重要。PMIC 良好的熱性能有助于使電路板保持在低溫狀態(tài)。

結(jié)語

在 ADAS 前置攝像頭上添加 PMIC 可以緩解本文所述的四大挑戰(zhàn)，并提高前置攝像頭系統(tǒng)的功效和熱效率。根據(jù)具體的系統(tǒng)要求，德州儀器 (TI) AM62A-Q1 或 TDA4AL-Q1 處理器系列能助力簡化您前置攝像頭的設(shè)計(jì)流程。