leyu乐鱼棋牌:应对汽车ADAS电源管理设计挑战谁是你心仪的“芯”方案?
2024-07-22 05:57:18 | 来源:乐鱼手机登录网址| 作者:乐鱼在线登录

  安全性和功能性是汽车技术演进的两个主要目标。前者是人们对汽车作为交通工具的核心诉求,以尽可能杜绝由汽车系统故障或人的因素所造成的事故;后者则是要继续扩展汽车产品的外延,带来更佳的用户体验。

  沿着这样设计思路,慢慢的变多的汽车电子系统正在被开发出来,并被集成到驾驶舱中,其中最有代表性的就是高级辅助驾驶系统(ADAS)。

  通过使用传感器(包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等)感知周围的环境,并基于功能强大的实时数据处理和计算能力做多元化的分析和决策,今天的ADAS系统正在不断的提高自身的智能化水平,实现自动紧急停车、盲点监测、车辆/行人报警和避让、车道偏离报警和辅助等功能,以缓解驾驶员的负担,减少人为操作错误,提升整体的行车安全。而且通过整合高速通信功能,ADAS系统也在与导航定位、V2X车联网等车载远程信息系统相融合,汇聚更多的信息和数据,向终极的全自动驾驶迈进。

  显而易见,这样的ADAS系统——而且是功能在继续扩展的系统——会给车载电源管理系统的设计带来不小的挑战。

  首先,各种功能的集成,意味着要消耗更多的电能,因此电源管理系统要具有大电流、高功率的支持能力。比如,第一代ADAS SoC(如Mobileye EyeQ)仅消耗2W至3W功率,而目前具有更强大的数据处理和计算能力的ADAS SoC,如NVIDIA的Xavier™,则需消耗20W至30W或更多功率。为了支持新一代的ADAS SoC器件,车载电源系统常常要经过两级电压转换——先从12V电池电源(或者是48V系统)转换为一个可输出较高电流(10A或更高)的中间电源轨,再由此在负载点附近转换为SoC内核、接口、外设等所需的各种低电压轨。这样的电源管理系统架构更复杂,需要考量的技术细节也会更多。

  其次,实现更复杂的架构、支持更大的电流,势必会增加电源管理系统的尺寸,而在有限的汽车空间内,这会与小型化的设计的基本要求形成矛盾。比如,为了减小驾驶的视觉盲区,ADAS系统中需要集成慢慢的变多的摄像头,而摄像头模块PCB上留给电源系统的空间并不大,这就需要高集成度、更高效的电源管理方案提供助力。

  第三,与其他电子科技类产品相比,车载电源管理系统的应用环境更复杂,而对于可靠性的要求却更高。要知道,无论是传统汽车中由内燃发动机驱动的交流发电机供电,还是电动汽车中由动力电池供电,它们都算不上是“稳定”的电源,总是会受到汽车运作时的状态、外部环境等诸多因素的影响,发生各种各样的紧急状况,如抛负载、冷启动、蓄电池极性接反、双蓄电池跨接、尖峰箝位和多种瞬变状态。因此在电源管理系统模块设计时,必须要从器件级和系统级通盘考虑相应的电路保护策略,防范这些风险因素,以确保汽车电源稳定可靠、无故障地运行。

  再有,车载电源还面临着EMC设计方面的挑战。在汽车中普遍的使用的开关稳压器,本身就容易在开关操作的流程中产生噪声,形成EMI干扰。随着器件开关频率的增加,EMI的影响会更突出。所以,能否降低EMI噪声,满足相关测试规范的要求,也是衡量电源管理器件性能和系统模块设计优劣的一个关键点。

  此外,汽车电源系统的设计还必须要满足功能安全的要求,符合ASIL标准,这就需要更为严格的保护和准确性、冗余设计,以及各种故障保护和诊断功能等。其中一个例子就是汽车电源系统中电压监控器的使用,其作用是当电源高于或低于用户定义的阈值时发出复位信号,以降低系统出现故障的概率。这些功能在其他非车规应用中可能不是必需的,但在汽车电源管理系统中是不可或缺的存在。

  下面我们大家可以通过一个具体的案例,来进一步说明在现实的汽车电源管理路径设计中,该如何考虑上述这些技术方面的要求,实现一个理想的解决方案。

  图2是一个典型的ADAS远程摄像头的电源管理系统电路图。电能从汽车电池输出后,先经过前端的初级降压-升压转换器,再通过保护IC、交流阻断线圈,由同轴电缆为后端的摄像头提供直流电源;在后端(远端)单个摄像头模块上,需要由两个降压转换器进行次级电压转换,为成像器和串行器供电。

  在这个应用场景中,需要从三个方面来考虑以实现安全的电源管理路径设计:

  就是将发电机或电池输出的电压,转换为一个中间电源轨。不过如上文所述,现实应用环境中,发电机或车载电池所提供的电源电压是很不稳定的,受到发动机启/停、冷启动等外因的影响,会在几伏到十几伏很宽的范围内波动。因此前端电源设计面临的一个很大的挑战就是:要能够支持非常宽的输入电压范围,并将其转换和调节为高度稳定的中间电源轨输出,还要满足高效率、大电流等性能要求,同时也要兼顾EMI方面的优化。

  其作用是在靠近负载的后端进行次级转换和稳压调节。除了满足效率、EMI、保护等基本的电源管理性能要求外,小型化是后端电源设计中十分关键的要素。以这个ADAS远程摄像头应用为例,在集成多摄像头的环视系统中,需要在狭小的空间内同时支持多路电源的高效转换,这时高度集成、多通道的电源管理器件显然是更优的选择。

  不论在电源器件中集成保护功能,还是使用单独的保护和监控元器件,实现安全和保护都是汽车电源管理系统模块设计中必不可少的一环。图2的应用场景中,在长同轴电缆上传输电力和数据,需要面对的主要安全风险就是对地短路(STG)和电池短路(STB),如果没有相应的保护的方法,前者会由于电力被直接导入大地而导致过热和断裂,而后者则会造成汽车电池损坏、消耗大量电力,甚至会引发爆炸等更严重的事故。本案例对此的解决方案是在前端加入了一个专门的电源保护IC,使所有下游电路免受损坏。

  由此我们显而易见,在ADAS(或者其他车载电子系统)的电源管理设计中,需要有更全面的视角,在满足性能要求的同时,也要最大限度地考虑小型化、可靠性、高效率安全等汽车应用特有的约束条件,挑战着实不小。而且所有这些都需要车规级元器件的支持,就使得开发者可用的资源受限,增加了物料选型和开发的难度。

  不过好消息是,伴随着ADAS等应用的发展,相应的车规级“芯”方案也在不断扩充和优化。今天我们就为大家推荐几款Analog Devices出品的车规级电源管理IC,它们都针对ADAS等汽车应用进行了优化,可以让你在应对汽车电源管理设计挑战时游刃有余。

  MAX25255是一款符合AEC-Q100标准、集成了高侧和低侧开关的小型同步双路降压转换器,可在3V至36V的宽输入电压范围内为每个通道提供高达8A的电流。该转换器提供5V和3.3V两种固定输出电压,并支持通过PGOOD信号监测电压质量,因此非常适合于ADAS、车载音响主机等前端电源。

  在效率方面,MAX25255可在轻负载条件下进入跳跃模式,空载时的静态电流仅为12μA。该器件提供四个固定频率选项(200kHz、400kHz、1MHz或2MHz),所需外部元件数量少,同时能减少纹波干扰。由于其采用扩频技术避免了AM干扰,因此具有非常出色的EMI性能。

  MAX25255中的两个降压转换器可配置为双相操作,使输出负载能力达到16A,并联使用时可实现高达32A输出电流的四相操作,以支持更大电流的车载应用,应用扩展十分灵活。

  MAX25255还集成有诊断和冗余电路,包括冗余基准电压源、芯片温度监控器、精密过压和欠压保护等功能,能够符合ASIL B等级功能安全的要求。可以说,对于车载设备前端电源的各种设计需求,考虑得非常全面。

  在ADAS负载点和后端稳压方面,MAX20411汽车单级降压转换器凭借宽输入/输出电压范围以及大输出电流等特性,提供了一个理想的解决方案。

  该器件是一款高效、同步降压型转换器,输入电压范围为3.0V至5.5V,可提供0.5V至1.275V输出电压,在整个负载、电源和温度范围内的输出误差低至±0.75%,并可支持高达40A的峰值输出电流。

  MAX20411具有2.1MHz固定频率PWM模式,可实现更好的抗噪性和负载瞬态响应。较高的工作频率允许其使用电容值较小的陶瓷电容,有利于实现系统模块设计的小型化。扩频调制选项也有助于抑制电磁辐射,逐步优化EMI特性。

  相对于分立式方案,MAX20411集成的低RDS(ON)开关可大幅度的提升重负载时的效率,并简化电路布局。同时,由于MAX20411采用MAXQ®️电源架构,可提供精确的瞬态性能和相位裕量,可实现出色的功率、性能和精度,同时降低特定应用的系统成本。

  此外,MAX20411还具有冗余基准、BIST诊断、I2C上PEC等功能,确保其达到ASIL D功能安全标准的要求,±1%精度的可编程OV/UV、过热和短路保护等功能也为其提供了可靠性保障。

  MAX2008x系列是专为ADAS摄像头电源保护而设计的高集成度解决方案。该系列新产品是具有双通道或四通道的电源保护IC,为每路输出提供高达600mA负载电流,且每路输出具有独立的电池短路(STG)、对地短路(STB)和过流保护,十分有利于实现小型化的同轴电缆供电电源保护。

  该器件工作在3V至5.5V电源电压,带有3V至15V摄像机电源,典型的输入至输出压差仅为110mV(@ 300mA)。

  MAX2008x系列提供使能控制和I2C接口,以读取器件的诊断状态,板载ADC读取每个开关的电流。ASIL B和ASIL D兼容版本还可通过ADC读取更多的诊断测量信息,以确保覆盖高故障率事件,实现更高的安全性。

  MAX20480汽车电源系统监控器是汽车电源满足安全性要求的关键器件,具有高度集成、高精度和小型化的特性优势。

  MAX20480具有多达7路电压监测输入,每路输入均具有2.5%至10%的可编程OV/UV门限,精度为±1%。其中两路输入具有独立的远端地检测输入,通过集成I2C接口支持DVS。

  MAX20480包含可编程的灵活上电顺序记录器(FPSR),该记录器独立储存上电和断电时标,支持开/关和休眠/待机电源排序。该器件也包含可编程质询/应答看门狗功能,可通过I2C接口访问;此外还包括可编程低电平有效RESET输出等功能。

  MAX20480电压监控器只需1个外部元件,与独立IC或分立式元件相比,在提高可靠性的同时大幅度的降低了系统尺寸,简化了BOM。与监控控制器配合使用时,MAX20480满足ASIL-D功能安全标准,适用于ADAS和车载远端传感器模块等应用。

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