汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 解決方案領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。自動緊急制動系統(tǒng)和前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)將很快在美國和歐洲強制使用。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)、自動駕駛、自適應(yīng)前燈控制、自動泊車、交通標志識別等。

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 背后的大趨勢及其相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討了應(yīng)對電源管理領(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

ADAS 是一項關(guān)鍵的顛覆性技術(shù)，開創(chuàng)了交通智能出行的新時代。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)和自動駕駛汽車外，汽車制造商還在投資大量新的移動服務(wù)。城市規(guī)劃者將使用移動生態(tài)系統(tǒng)來減少交通擁堵，同時產(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 強調(diào)安全，甚至有望顛覆汽車保險行業(yè)，造福消費者。

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)，以實現(xiàn)互聯(lián)安全、高級駕駛輔助支持以及自動駕駛軟件和功能。

挑戰(zhàn)

ADAS 功能的激增需要在汽車的每個控制器、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、負載突降、啟動/停止)、具有高精度、良好的保護(接地短路、電池短路、OV、OC 等)，并且免受電磁干擾 (EMI) 的影響。這對于雷達模塊、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 (ASIL) 標準，包括更嚴格的保護和準確性、冗余參考、開路引腳故障保護和其他診斷。因此，許多電源管理產(chǎn)品同時提供 ASIL 和非 ASIL 版本?？傊娮釉媾R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攝像頭小型化

遠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)。該導軌被降壓以為板載電子負載供電，包括成像器和串行器(圖 1)。相機以開/關(guān)方式運行 - 完全運行或完全關(guān)閉。出于這個原因，選擇流線型降壓轉(zhuǎn)換器 IC 更具成本效益，該 IC 專為滿負載時的高效率而設(shè)計，而無需專門用于增強輕負載操作的額外硅片(或成本)。

圖 1：遠程攝像機同軸電纜供電框圖。

通過用兩個高效雙降壓轉(zhuǎn)換器 IC 覆蓋四個軌道，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)用的一個示例。

如何縮小 ADAS ECU

智能汽車裝有 ADAS 電子控制單元 (ECU)，每個都從汽車電池獲取電力。每個 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 ECU 的電源管理實施使用離散方法似乎是唯一的選擇。也就是說，每個構(gòu)建塊都有一個 ad hoc IC。然而，這種方法與這些無處不在的設(shè)備的另一個重要要求不兼容，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。高壓 (HV) 降壓轉(zhuǎn)換器可承受負載突降并將電池電壓降至 3.3 V，從而允許在其輸出附近(遠低于 6 V)進行冷啟動操作。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”在信號鏈電路周圍.

圖 2：ADAS 雷達 PMIC。

如果 ASIL 合規(guī)性由微控制器處理，則具有三個高效、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。雷達下的表 1中提供了 PMIC 和前端降壓的示例。在此實施中，ADAS 雷達電源管理解決方案的總面積估計為 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 8.5-V 升壓轉(zhuǎn)換器和一個 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程攝像機供電。

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，集成了一個同步升壓和一個降壓轉(zhuǎn)換器，如表 1所示。總?cè)芤好娣e(PMIC + HV BUCK)估計約為 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。總?cè)芤好娣e(PMIC 和 HV BUCK)估計約為 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

汽油動力車輛依靠鉛酸電池為電子負載供電。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 14.7 V。采用啟停技術(shù)的車輛在發(fā)動機啟動時會出現(xiàn)較大的電壓驟降，因此電源的下限遠低于典型的 12 V，可低至 4 V 或更低。需要一個高且控制良好的 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，而擴展頻譜對于滿足 EMI 標準是必要的。

如果 ECU 的復(fù)雜程度較低，一個簡單的完全單片 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。

對于需要 8 A 至 20 A 總電流的中到高級系統(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 20 A 的應(yīng)用。

對于要求總電流水平高于 20 A 的系統(tǒng)，兩相交錯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 2.2MHz、單輸出、兩相交錯或雙輸出、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程攝像機的電氣路徑的安全性。使用適當?shù)谋Ｗo器并遵守 ASIL-B 和 ASIL-D 安全規(guī)范可以增強電氣安全性。我們還將審查駕駛者的安全?？梢姽?LED 驅(qū)動器在保護和增強復(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程攝像頭的安全電源路徑

通過同軸電纜進入相機模塊的電流和電壓必須針對各種類型的故障進行監(jiān)控和控制。圖 5顯示了環(huán)視攝像機系統(tǒng)的示例。在這里，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器連接到電池，并通過四重保護器 IC、一組交流阻斷線圈 (L) 和四根同軸電纜為遠程攝像機提供直流電源。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程攝像機。

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器。該 ADAS IC 沿從汽車電池到遠程攝像頭的路徑有效地提供電源和保護。

使用大功率降壓 LED 控制器實現(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。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，針對迎面而來的汽車的光束，AFS 可以自動調(diào)整燈光模式，防止迎面而來的司機被刺眼的燈光弄瞎。LED 照明的上升時間是白熾燈的兩倍，因此基于 LED 的剎車燈可以更快地點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。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)，其中通過對電流進行時間分割而不是通過改變幅度來調(diào)制光強度。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，最小 LED“開/關(guān)”時間的限制是開關(guān)穩(wěn)壓器電感中的電流上升/下降所需的時間。這可能會增加數(shù)十微秒的響應(yīng)時間，這對于需要快速、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)單獨打開/關(guān)閉串中的每個 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)儲或冷車啟動)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降壓轉(zhuǎn)換器控制單個功能(例如遠光燈、近光燈、霧燈、日間行車燈 (DRL))來處理控制燈的強度和位置的復(fù)雜性, 位置等

圖 7：先進的 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，同時通過同步整流實現(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。對于電流高達 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低 R DS(ON) 0.14Ω(典型值)MOSFET 并確保高達 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 控制器來實現(xiàn)。

用于 DMS 的紅外攝像機

紅外 (IR) 攝像頭將 IR-LED 二極管與 CMOS 傳感器結(jié)合使用，有助于識別影響駕駛者的危險微睡眠。使用紅外線的優(yōu)點是它對人眼不可見，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)動它的電子設(shè)備直接連接到電池。

例如，降壓 LED 驅(qū)動器顯示在IR DMS 下的表 1中。完全同步的 2A 降壓轉(zhuǎn)換器集成了兩個低 R DS(ON) 0.14Ω(典型值)MOSFET，可確保高達 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)。

對于每個挑戰(zhàn)，我們都展示了電源管理如何有效幫助用戶實現(xiàn) ADAS 系統(tǒng)的示例。針對小型化挑戰(zhàn)，我們?yōu)檫h程攝像頭模塊以及攝像頭、雷達和集群 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 和雷達應(yīng)用的解決方案。最后，對于安全模塊，我們強調(diào)了符合 ASIL 標準的 IC 的可用性。這些電源管理解決方案克服了當今 ADAS 實施所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　審核編輯：湯梓紅