汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 解決方案領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)和前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)將很快在美國和歐洲強(qiáng)制使用。ADAS 功能列表非常廣泛，包括用于監(jiān)控駕駛員注意力水平的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS)、自動(dòng)駕駛、自適應(yīng)前燈控制、自動(dòng)泊車、交通標(biāo)志識(shí)別等。

新的 ADAS 技術(shù)有可能提高駕駛員的安全性和舒適度，更重要的是，可以減少汽車事故和人員傷亡。然而，ADAS 技術(shù)的采用給汽車設(shè)計(jì)帶來了新的問題，尤其是在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面。本文回顧了 ADAS 背后的大趨勢(shì)及其相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討了應(yīng)對(duì)電源管理領(lǐng)域這些挑戰(zhàn)的新解決方案。

ADAS 技術(shù)有可能提高駕駛員的安全性和舒適度，并減少車禍和人員傷亡。

ADAS 的大趨勢(shì)

ADAS 是一項(xiàng)關(guān)鍵的顛覆性技術(shù)，開創(chuàng)了交通智能出行的新時(shí)代。汽車制造商越來越多地將自己視為產(chǎn)品制造商和移動(dòng)服務(wù)公司。除了開發(fā)將改善交通流量和安全性的下一代聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛汽車外，汽車制造商還在投資大量新的移動(dòng)服務(wù)。城市規(guī)劃者將使用移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)來減少交通擁堵，同時(shí)產(chǎn)生相關(guān)的好處，例如減少交通事故、改善空氣質(zhì)量和減少城市停車足跡。ADAS 強(qiáng)調(diào)安全，甚至有望顛覆汽車保險(xiǎn)行業(yè)，造福消費(fèi)者。

ADAS 功能由部署在汽車上的大量傳感器啟用，這些傳感器與整個(gè)汽車的 I/O 模塊、執(zhí)行器和控制器聯(lián)網(wǎng)。最終，連接到云支持功能的車載傳感器將提供來自其他車輛和云基礎(chǔ)設(shè)施的外部數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)安全、高級(jí)駕駛輔助支持以及自動(dòng)駕駛軟件和功能。

挑戰(zhàn)

ADAS 功能的激增需要在汽車的每個(gè)控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器中配備大量處理器和連接接口。這反過來又對(duì)系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括：減小組件尺寸以在相同空間中安裝更多電子設(shè)備，提高能源效率以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)執(zhí)行，以及提高電氣/機(jī)械安全性和可靠性以減少故障.

ECU 的電源管理電子設(shè)備必須能夠承受惡劣的汽車環(huán)境(冷/熱啟動(dòng)、負(fù)載突降、啟動(dòng)/停止)、具有高精度、良好的保護(hù)(接地短路、電池短路、OV、OC 等)，并且免受電磁干擾 (EMI) 的影響。這對(duì)于雷達(dá)模塊、傳感器融合和控制器局域網(wǎng) (CAN) 等“安全”模塊和信息娛樂、儀表板和主機(jī)單元等非安全模塊都是如此。

此外，安全模塊必須符合汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 標(biāo)準(zhǔn)，包括更嚴(yán)格的保護(hù)和準(zhǔn)確性、冗余參考、開路引腳故障保護(hù)和其他診斷。因此，許多電源管理產(chǎn)品同時(shí)提供 ASIL 和非 ASIL 版本?？傊?，電子元件面臨的主要挑戰(zhàn)是小型化以及安全性和可靠性。

解決方案小型化

在本節(jié)中，我們將討論節(jié)省空間的汽車電源管理解決方案。首先，我們將討論位于汽車外圍的遠(yuǎn)程攝像頭，然后討論智能汽車核心的 ECU。最后，我們將回顧與電池接口的前端電壓調(diào)節(jié)器。

如何使您的汽車遙控?cái)z像頭小型化

遠(yuǎn)程攝像頭模塊通常由同軸電源 (POC) 8 V 電源軌供電，功耗約為 1 W 或更少 (< 125 mA)。該導(dǎo)軌被降壓以為板載電子負(fù)載供電，包括成像器和串行器(圖 1)。相機(jī)以開/關(guān)方式運(yùn)行 - 完全運(yùn)行或完全關(guān)閉。出于這個(gè)原因，選擇流線型降壓轉(zhuǎn)換器 IC 更具成本效益，該 IC 專為滿負(fù)載時(shí)的高效率而設(shè)計(jì)，而無需專門用于增強(qiáng)輕負(fù)載操作的額外硅片(或成本)。

圖 1：遠(yuǎn)程攝像機(jī)同軸電纜供電框圖。

通過用兩個(gè)高效雙降壓轉(zhuǎn)換器 IC 覆蓋四個(gè)軌道，我們節(jié)省了空間并最大限度地減少了損耗。表 1頂部所示的雙降壓轉(zhuǎn)換器就是該應(yīng)用的一個(gè)示例。

如何縮小 ADAS ECU

智能汽車裝有 ADAS 電子控制單元 (ECU)，每個(gè)都從汽車電池獲取電力。每個(gè) ECU 都支持特定的汽車功能，并擁有自己的專用電源管理。由于具有如此高的可變性，對(duì) ECU 的電源管理實(shí)施使用離散方法似乎是唯一的選擇。也就是說，每個(gè)構(gòu)建塊都有一個(gè) ad hoc IC。然而，這種方法與這些無處不在的設(shè)備的另一個(gè)重要要求不兼容，特別是小尺寸。本節(jié)回顧了三種截然不同的 ECU 應(yīng)用，并表明即使需要多個(gè)構(gòu)建塊，定制的集成電源管理方法也可以輕松解決這一難題。

ADAS雷達(dá)電源解決方案

圖 2顯示了一種高度集成的解決方案，可將 IC 的數(shù)量減少到兩個(gè)。高壓 (HV) 降壓轉(zhuǎn)換器可承受負(fù)載突降并將電池電壓降至 3.3 V，從而允許在其輸出附近(遠(yuǎn)低于 6 V)進(jìn)行冷啟動(dòng)操作。高密度、低電壓 PMIC 集成了后端穩(wěn)壓器。通過這種劃分，可以方便地將所需區(qū)域分成兩塊——一塊用于前端降壓轉(zhuǎn)換器 (HV BUCK)，另一塊用于 PMIC——從而可以輕松地將電源管理解決方案“包裹”在信號(hào)鏈電路周圍.

圖 2：ADAS 雷達(dá) PMIC。

如果 ASIL 合規(guī)性由微控制器處理，則具有三個(gè)高效、低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出的小型 PMIC 就足夠了。前端降壓轉(zhuǎn)換器 (HV BUCK) 與電池連接。雷達(dá)下的表 1中提供了 PMIC 和前端降壓的示例。在此實(shí)施中，ADAS 雷達(dá)電源管理解決方案的總面積估計(jì)為 750 mm 2，或約為可用面積的三分之一(而非集成解決方案的一半)。

ADAS攝像頭電源解決方案

可以為汽車攝像頭 ECU 復(fù)制之前的分區(qū)解決方案。圖 3顯示了 ECU 內(nèi)部的 PMIC，僅由一個(gè) 8.5-V 升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 1.8-V 降壓轉(zhuǎn)換器組成。1.8V 電源軌為微處理器供電。8.5V 電源軌通過同軸電纜為遠(yuǎn)程攝像機(jī)供電。

圖 3：攝像頭 ECU 內(nèi)的電源 PMIC。

為 ADAS 攝像頭 ECU 應(yīng)用量身定制的 PMIC，集成了一個(gè)同步升壓和一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，如表 1所示?？?cè)芤好娣e(PMIC + HV BUCK)估計(jì)約為 550 mm 2。

儀表盤電源解決方案

儀表板 MCU 處理儀表板儀表顯示的信息。在圖 4中，片上系統(tǒng) (SoC) 微控制器需要兩個(gè)電源，1.1 V 為其內(nèi)核供電，1.8 V 為外圍供電。這里，Cluster ECU 下表 1所示的雙降壓 PMIC適合 ADAS 微處理器內(nèi)核和外圍電源應(yīng)用?？?cè)芤好娣e(PMIC 和 HV BUCK)估計(jì)約為 560 mm 2。

圖 4：儀表板 PMIC。

為您的汽車 ECU 選擇合適的前端降壓轉(zhuǎn)換器

汽油動(dòng)力車輛依靠鉛酸電池為電子負(fù)載供電。電池原始電源和精密電子設(shè)備之間的接口需要一個(gè)能夠支持不同瞬態(tài)條件的前端穩(wěn)壓器。

降壓轉(zhuǎn)換器必須承受電池電壓，在充滿電的電池上，該電壓可高達(dá) 14.7 V。采用啟停技術(shù)的車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的電壓驟降，因此電源的下限遠(yuǎn)低于典型的 12 V，可低至 4 V 或更低。需要一個(gè)高且控制良好的 PWM 開關(guān)頻率(高于 500 kHz 至 1.7 MHz 的 AM 波段范圍)以減少射頻干擾，而擴(kuò)展頻譜對(duì)于滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)是必要的。

如果 ECU 的復(fù)雜程度較低，一個(gè)簡單的完全單片 IC 就足以滿足前端降壓轉(zhuǎn)換器的需求。對(duì)于低于 8 A 的電流水平，單片解決方案可以在盡可能小的 PCB 面積內(nèi)提供最佳效率。

對(duì)于需要 8 A 至 20 A 總電流的中到高級(jí)系統(tǒng)復(fù)雜性，前端降壓轉(zhuǎn)換器最方便的解決方案是控制器 IC 加上外部低 R DS(ON) MOSFET。例如，具有 3.5μA 靜態(tài)電流的 2.2MHz 同步降壓控制器 IC 如表 1所示，位于集群 ECU 前端。它適用于具有中高功率要求和電流高達(dá) 20 A 的應(yīng)用。

對(duì)于要求總電流水平高于 20 A 的系統(tǒng)，兩相交錯(cuò)式控制器是前端降壓轉(zhuǎn)換器的最佳解決方案。表 1還顯示了一個(gè) 2.2MHz、單輸出、兩相交錯(cuò)或雙輸出、單相同步降壓控制器。

安全可靠

在本節(jié)中，我們將首先討論從電池到遠(yuǎn)程攝像機(jī)的電氣路徑的安全性。使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)器并遵守 ASIL-B 和 ASIL-D 安全規(guī)范可以增強(qiáng)電氣安全性。我們還將審查駕駛者的安全?？梢姽?LED 驅(qū)動(dòng)器在保護(hù)和增強(qiáng)復(fù)雜的照明模式方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而提高了駕駛者的能見度。同樣，IR LED 驅(qū)動(dòng)器在 DMS 應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，檢查駕駛者的警戒狀態(tài)。我們將強(qiáng)調(diào)節(jié)能解決方案的重要性，這些解決方案可減少熱量產(chǎn)生并保持電子設(shè)備冷卻，從而提高可靠性。

提供從汽車電池到遠(yuǎn)程攝像頭的安全電源路徑

通過同軸電纜進(jìn)入相機(jī)模塊的電流和電壓必須針對(duì)各種類型的故障進(jìn)行監(jiān)控和控制。圖 5顯示了環(huán)視攝像機(jī)系統(tǒng)的示例。在這里，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器連接到電池，并通過四重保護(hù)器 IC、一組交流阻斷線圈 (L) 和四根同軸電纜為遠(yuǎn)程攝像機(jī)提供直流電源。四通道解串器通過交流耦合電容器組 (C) 和相同的同軸電纜將微處理器連接到遠(yuǎn)程攝像機(jī)。

圖 5：環(huán)視攝像系統(tǒng)。

例如，表 1顯示了攝像頭 ECU 前端下方的四電源攝像頭保護(hù)器。該 ADAS IC 沿從汽車電池到遠(yuǎn)程攝像頭的路徑有效地提供電源和保護(hù)。

使用大功率降壓 LED 控制器實(shí)現(xiàn)卓越的汽車外部照明

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，LED 具有顯著優(yōu)勢(shì)。LED 前照燈(圖 6)中白光的卓越清晰度提高了駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。由 LED 矩陣支持的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng) (AFS) 可產(chǎn)生快速、復(fù)雜的光模式變化，從而提高駕駛員在光線不足的條件下的能見度。

夜間，針對(duì)迎面而來的汽車的光束，AFS 可以自動(dòng)調(diào)整燈光模式，防止迎面而來的司機(jī)被刺眼的燈光弄瞎。LED 照明的上升時(shí)間是白熾燈的兩倍，因此基于 LED 的剎車燈可以更快地點(diǎn)亮并為駕駛員提供提前警告，從而提高道路安全性。

最后，LED 比白熾燈消耗更少的功率，從而在燃料消耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。LED 控制器，即操作 LED 的電子設(shè)備，在保持和提高 LED 固有的清晰度、速度和效率方面發(fā)揮著重要作用。

圖 6：LED 驅(qū)動(dòng)的汽車前照燈。

高亮度 LED (HB LED) 需要恒定電流才能獲得最佳性能。由于電流必須保持恒定以保持顏色，因此 LED 的最佳調(diào)光策略是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，其中通過對(duì)電流進(jìn)行時(shí)間分割而不是通過改變幅度來調(diào)制光強(qiáng)度。PWM 頻率必須保持在 200 Hz 以上，以防止 LED 閃爍。

使用 PWM 調(diào)光時(shí)，最小 LED“開/關(guān)”時(shí)間的限制是開關(guān)穩(wěn)壓器電感中的電流上升/下降所需的時(shí)間。這可能會(huì)增加數(shù)十微秒的響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于需要快速、復(fù)雜調(diào)光模式的 LED 前照燈組應(yīng)用來說太慢了。在這種情況下，調(diào)光只能通過使用專用 MOSFET 開關(guān)(圖 7中的 SW 1-K)單獨(dú)打開/關(guān)閉串中的每個(gè) LED 來執(zhí)行。電流控制環(huán)路面臨的挑戰(zhàn)是要足夠快，以便快速從二極管的切換導(dǎo)致的輸出電壓瞬態(tài)中恢復(fù)。

復(fù)雜的前照燈系統(tǒng)利用升壓轉(zhuǎn)換器作為前端來管理輸入電壓的變化(轉(zhuǎn)儲(chǔ)或冷車啟動(dòng))和 EMI 發(fā)射。升壓轉(zhuǎn)換器可提供良好調(diào)節(jié)且足夠高的輸出電壓(圖 7)。使用這種穩(wěn)定的輸入電源工作的專用降壓轉(zhuǎn)換器可以通過允許每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器控制單個(gè)功能(例如遠(yuǎn)光燈、近光燈、霧燈、日間行車燈 (DRL))來處理控制燈的強(qiáng)度和位置的復(fù)雜性, 位置等

圖 7：先進(jìn)的 LED 照明系統(tǒng)。

理想的解決方案應(yīng)滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及高且控制良好的開關(guān)頻率的要求，同時(shí)通過同步整流實(shí)現(xiàn)高效率。

例如，表 1中的前照燈 ECU 下顯示了支持這種解決方案的降壓 LED 控制器。對(duì)于電流高達(dá) 2 A 的緊湊型照明應(yīng)用，降壓 LED 轉(zhuǎn)換器是理想的解決方案。表 1的同一部分還顯示了集成兩個(gè)低 R DS(ON) 0.14Ω(典型值)MOSFET 并確保高達(dá) 95% 的高效率的完全同步 2A 降壓轉(zhuǎn)換器。高集成度產(chǎn)生最小的 PCB 面積占用。圖 7中的升壓轉(zhuǎn)換器可以使用表 1的同一部分中所示的 36V、2.5MHz 汽車升壓/SEPIC 控制器來實(shí)現(xiàn)。

用于 DMS 的紅外攝像機(jī)

紅外 (IR) 攝像頭將 IR-LED 二極管與 CMOS 傳感器結(jié)合使用，有助于識(shí)別影響駕駛者的危險(xiǎn)微睡眠。使用紅外線的優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)人眼不可見，并且能夠晝夜工作。圖像分析處理信息以確定駕駛員是否疲勞或分心。IR-LED 二極管的典型正向電壓為 2.8 V，正向電流為 1 A，驅(qū)動(dòng)它的電子設(shè)備直接連接到電池。

例如，降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器顯示在IR DMS 下的表 1中。完全同步的 2A 降壓轉(zhuǎn)換器集成了兩個(gè)低 R DS(ON) 0.14Ω(典型值)MOSFET，可確保高達(dá) 95% 的高效率。憑借其 4.5V 至 65V 的輸入電源范圍，該 IC 可以輕松承受電池負(fù)載突降，使其成為 DMS 應(yīng)用中的前端降壓轉(zhuǎn)換器的理想選擇。

電源總結(jié)

表 1 總結(jié)了 ADAS 的示例電源管理方法。

概括

ADAS 技術(shù)有可能提高駕駛員的安全性和舒適度，并減少車禍和人員傷亡。ADAS 技術(shù)的采用在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面帶來了挑戰(zhàn)。

對(duì)于每個(gè)挑戰(zhàn)，我們都展示了電源管理如何有效幫助用戶實(shí)現(xiàn) ADAS 系統(tǒng)的示例。針對(duì)小型化挑戰(zhàn)，我們?yōu)檫h(yuǎn)程攝像頭模塊以及攝像頭、雷達(dá)和集群 ECU 提出了高度集成的解決方案。為了提高安全性和可靠性，我們提出了照明、ECU 前端、IR 和雷達(dá)應(yīng)用的解決方案。最后，對(duì)于安全模塊，我們強(qiáng)調(diào)了符合 ASIL 標(biāo)準(zhǔn)的 IC 的可用性。這些電源管理解決方案克服了當(dāng)今 ADAS 實(shí)施所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　審核編輯：湯梓紅