溫度對(duì)汽車攝像頭模塊的影響

您的第一輛汽車也許就像我的一樣，缺少攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器模塊，而正是這些模塊使得現(xiàn)代高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的安全特性（如盲點(diǎn)檢測(cè)、泊車輔助和防撞）成為可能。由于這些傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)與乘客安全直接相關(guān)，因此確保它們始終正常工作非常重要。遺憾的是，一個(gè)常見的損壞原因就是長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行或暴露在潮濕環(huán)境中。

攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)中的精確溫度傳感器有助于延長(zhǎng)其壽命并增強(qiáng)安全性和可靠性。首先，我們來(lái)看看溫度對(duì)汽車攝像頭模塊的影響。

攝像頭

圖 1 顯示每輛汽車可能有多達(dá)六個(gè)攝像頭。這些攝像頭需要高動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)時(shí)間以及出色的弱光靈敏度。為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員必須避免圖像傳感器在高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

圖 1：現(xiàn)代汽車中的 ADAS 傳感器概覽

如圖 2 所示，汽車攝像頭通常是小型 （1.4in3） 封閉立方體，沒(méi)有主動(dòng)冷卻功能，因而非常容易積累熱量和快速升溫。圖像傳感器的額定工作溫度通常為 –40°C 至 125°C（結(jié)溫）和 –40°C 至 105°C（環(huán)境溫度）。如果達(dá)到這些范圍的上限或下限，電子控制單元 （ECU） 將不得不降低進(jìn)入圖像傳感器的功率或?qū)鞲衅魍耆P(guān)閉，直到溫度恢復(fù)到正常工作條件為止。因此，準(zhǔn)確獲取攝像頭的溫度非常重要。

圖 2：小型汽車的攝像頭模塊

圖像傳感器通常采用嵌入式溫度傳感器，其誤差范圍為 ±6°C。這么大的誤差意味著 ECU 可能會(huì)通過(guò)提前或延后關(guān)閉來(lái)限制攝像頭的使用。這些錯(cuò)誤計(jì)算可能會(huì)對(duì)圖像傳感器造成損壞，暫時(shí)限制 ADAS 功能，直到它得到維護(hù)為止。

解決方案是添加一個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器，該傳感器可提供誤差小于 ±1°C 的準(zhǔn)確溫度測(cè)量值。

雷達(dá)

毫米波 （mmWave） 傳感器的接收器 （RX） 靈敏度、增益、輸入噪聲甚至輸出發(fā)射器 （TX） 功率都可能隨溫度而變化。在圖 3 中，主機(jī)處理器嘗試通過(guò)在運(yùn)行期間定期調(diào)整電路配置，來(lái)減輕溫度變化帶來(lái)的影響，以使 RX 增益和 TX 功率盡量接近所配置的設(shè)置水平。

圖 3：RX 增益 （a） 和 TX 功率 （b） 隨溫度的變化

之所以需要高精度溫度測(cè)量，是因?yàn)橐M可能在更大限度地提高雷達(dá)性能和防止因高溫而產(chǎn)生熱損壞之間取得平衡。為了達(dá)到這種平衡，雷達(dá)傳感器必須在溫度限值附近工作，同時(shí)能夠在盡可能接近限值時(shí)可靠地關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能很難，因?yàn)椋?/p>

OEM 開始要求更高的環(huán)境溫度。

為了降低成本，制造商開始使用塑料模塊外殼而不是金屬外殼。金屬是更好的導(dǎo)熱體，通常用作散熱器以散發(fā)模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。

雷達(dá)芯片功耗高，會(huì)造成自發(fā)熱。

雷達(dá)芯片上的嵌入式溫度傳感器誤差范圍最高可達(dá)到 ±7°C，這限制了雷達(dá)芯片的性能。由于此誤差，穩(wěn)妥起見，您必須在距離工作限值 ±7°C 時(shí)關(guān)斷以防止損壞。

如今，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是讓雷達(dá)芯片內(nèi)部裸片溫度的溫度精度達(dá)到 ±1°C。為此，您可以使用兩個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器測(cè)量溫差，或者使用雷達(dá)芯片下方的超薄溫度傳感器，例如 TMP114。

激光雷達(dá)

如圖 4 所示，激光雷達(dá)傳感器可以捕獲短距離、中距離和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，提供深入的點(diǎn)云，作為實(shí)現(xiàn) ADAS 功能安全性的關(guān)鍵元件。激光雷達(dá)包含激光陣列、飛行時(shí)間 （ToF） 傳感器和控制器，所有這些都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償以保持其性能。溫度變化會(huì)影響激光雷達(dá)距離測(cè)量，并且在 70°C 以上時(shí)，激光陣列的性能可能會(huì)下降。ToF 傳感器具有高功耗，這會(huì)導(dǎo)致自發(fā)熱，并且在 105°C 左右控制器往往需要降低其時(shí)鐘頻率或完全關(guān)閉以防止熱失控。

圖 4：汽車激光雷達(dá)范圍

激光雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素是目標(biāo)汽車安全完整性等級(jí) （ASIL）。

激光雷達(dá)和攝像頭模塊都有可能會(huì)破裂的透鏡，因此可能會(huì)因潮濕而損壞內(nèi)部的光學(xué)元件。汽車級(jí)濕度傳感器（如 HDC3020-Q1）可測(cè)量相對(duì)濕度和溫度。它可以檢測(cè)水分（這可能表示發(fā)生泄漏）并計(jì)算何時(shí)超過(guò)露點(diǎn)（這會(huì)導(dǎo)致透鏡上出現(xiàn)冷凝），從而允許系統(tǒng)通知用戶采取糾正措施。

如何選擇溫度傳感器

在評(píng)估您的下一個(gè)溫度傳感器時(shí)，請(qǐng)考慮其最大精度、是否需要警報(bào)或其他功能以及您的通信渠道。例如，如果沒(méi)有任何可用的 ADC 通道（通常存在于環(huán)視和低端駕駛員監(jiān)控?cái)z像頭中），那么您可以將數(shù)字溫度傳感器連接到 FPD-Link 串行器的 I2C 或 SPI 通道。如果您只是想要具有遲滯功能的閾值警報(bào)，則可以使用連接到通用輸入/輸出的溫度開關(guān)。當(dāng)您確實(shí)有可用的 ADC 通道時(shí)，模擬溫度傳感器的輸出電壓與溫度成正比，而不會(huì)像分立熱敏電阻解決方案那樣受外部元件容差的影響。如果您確實(shí)需要熱敏電阻，可以考慮硅基線性熱敏電阻，它可以解決負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻存在的精度和可靠性問(wèn)題，同時(shí)保持其低成本和小尺寸的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

高度敏感的光學(xué)需要準(zhǔn)確診斷以便長(zhǎng)時(shí)間保持卓越性能，這一點(diǎn)和射頻 ADAS 模塊非常類似。這樣便需要采用精確的外部溫度傳感器，這是 ADAS 模塊的必要構(gòu)建塊，正在迅速成為未來(lái)的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)。