電源芯片的選擇與設(shè)計挑戰(zhàn)

智能汽車座艙中通常都配備多種可增強駕駛體驗的功能。例如，全液晶中控屏和高清顯示屏可以讓用戶體驗更流暢、更簡單；駕駛員通過語音識別功能可以撥打電話，還能實現(xiàn)智能導(dǎo)航；高品質(zhì)的音響和氛圍燈，就可以擁有觀影和聽音樂的沉浸式體驗。此外，無線下載 (OTA) 技術(shù)能夠?qū)Ⅰ{駛員的手機與車載系統(tǒng)無縫連接；智能座艙甚至可以監(jiān)控駕駛員狀態(tài)，提供緊急路況預(yù)警，駕駛也更加安全了。

汽車智能座艙不僅是功能強大的出行助手，也是連接用戶與數(shù)字智能的橋梁。消費者與車輛之間頻繁、密切的接觸均通過座艙體現(xiàn)；通過座艙系統(tǒng)，消費者能夠具體地看到汽車越來越智能、越來越創(chuàng)新。

根據(jù) iCVTank 的數(shù)據(jù)，2020 年全球智能座艙市場價值 231 億美元，預(yù)計到 2026 年將達(dá)到 440 億美元。其中以車載信息娛樂市場規(guī)模最大，占比達(dá)到 64.3%；其次是占 27.05% 的座艙顯示系統(tǒng)和占 4.62% 的抬頭顯示系統(tǒng)。在影響用戶購買決策的關(guān)鍵因素（如功率、空間和價格）當(dāng)中，座艙的可配置性已成為重要的考量因素。

本文將通過介紹 MPS 與芯馳科技聯(lián)手合作的參考板，探討汽車智能座艙解決方案的硬件支持系統(tǒng)，另外還將討論三個關(guān)鍵的電源方案，包括一級電源、二級電源以及背光驅(qū)動方案。

汽車智能座艙的計算能力

2021 汽車智能座艙白皮書 指出，主 SoC 的計算能力是決定座艙功能與性能的關(guān)鍵。而中央處理器 (CPU) 的計算能力主要通過每秒百萬條指令（Dhrystone DMIPS）來衡量，DMIPS 是指每秒處理多少百萬機器語言指令。為了滿足不斷延展的應(yīng)用覆蓋范圍，CPU 的計算能力要求也日益增長。截至目前，超過 20kDMIPS 的 SoC 足以滿足智能座艙處理器的要求，并且需求還在不斷提高。

汽車智能座艙可以提供多種功能，包括抬頭顯示系統(tǒng)、視覺感知系統(tǒng)和語音交互系統(tǒng)等。圖 1 對智能座艙系統(tǒng)的典型功能給出了概覽。

圖 1: 智能座艙的典型功能

我們將通過高性能的芯馳 X9 芯片來探索智能座艙解決方案的硬件架構(gòu)（見圖 2）。

圖 2：芯馳 X9 系列座艙芯片（圖片來源：芯馳科技）

MPSafe? 解決方案

了解 MPS 嚴(yán)格遵從 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的功能安全產(chǎn)品開發(fā)流程

文章

汽車信息娛樂系統(tǒng)的電源設(shè)計（上）

了解一級電源和二級電源的特性

參考設(shè)計

Versal AI Edge（汽車級）全電源管理參考設(shè)計

從冷車啟動到負(fù)載突降

汽車瞬變?nèi)腴T

X9 系列處理器是芯馳科技面向新一代汽車電子座艙的車規(guī)級芯片。該系列新型智能座艙技術(shù)集成了高性能 CPU、圖形處理單元 (GPU)、AI 加速器、視頻編解碼處理器以及其他加速單元。單個 X9 處理器可同時驅(qū)動多達(dá) 10 臺高清顯示器（如儀表盤、中控臺、后視鏡和后排娛樂系統(tǒng)），并支持多屏共享與交互，以滿足未來汽車智能座艙的功能需求（見圖 3）。X9 處理器還集成了豐富的接口和總線協(xié)議，如 PCIe、USB、CAN-FD（彈性數(shù)據(jù)速率控制器局域網(wǎng)）和以太網(wǎng)。因此，該系列處理器能夠以低成本無縫銜接各類車載系統(tǒng)。

X9 系列包括 X9E、X9M、X9H、X9HP 和 X9U。這些處理器配備了不同數(shù)量的 CPU 和 CPU 內(nèi)核，最大算力達(dá)到 100k DMIPS，覆蓋液晶顯示屏（LCD）儀表、中控導(dǎo)航、高端智能座艙等多種座艙應(yīng)用場景。此外，X9 全系列均兼容多種軟硬件，可以幫助客戶降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，而且一次設(shè)計就可適用于不同模型的應(yīng)用。

MPS 與芯馳科技聯(lián)手開發(fā) X9H 參考板

X9H 是 X9 系列中的高性能型座艙芯片，采用 6 核 A55 外加數(shù)個 R5 核，CPU 算力高達(dá) 36K DMIPS，GPU 算力高達(dá) 140 GFLOPS。MPS 與芯馳聯(lián)手合作開發(fā)的 X9H 參考板，可以實現(xiàn)多達(dá) 4 屏聯(lián)動的智能座艙解決方案。該參考板的輸入端直接由 12V 電池供電。由于 SoC 的供電軌通常多為低于 1V 的電壓等級，因此建議采用兩級電源方案以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，同時應(yīng)對冷啟動和拋負(fù)載情況下的電池電壓波動。

一級電源方案

一級電路采用 MP4436-AEC1 將 12V 電源轉(zhuǎn)換為 5V。MP4436-AEC1 是一款頻率可調(diào)的汽車級同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，其最大輸入電壓 (VIN) 為 45V，最大輸出電流 (IOUT) 為 6A， 同時支持并聯(lián)配置（參見圖 4）。

圖 4：MPS 一級電源方案：MP4436-AEC1

MP4436-AEC1 的功能特性描述如下：

4mm x 4mm 超小封裝尺寸減小了布板面積；

超高轉(zhuǎn)換效率支持艙內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的散熱；

動態(tài)性能為后級電路提供了穩(wěn)定的輸出；

支持多顆并聯(lián)的可拓展性增加了客戶設(shè)計的靈活性和平臺的傳承性；

豐富的內(nèi)部保護功能確保了系統(tǒng)可靠性，如帶打嗝模式的過流保護（OCP）和輸入欠壓保護（UVP）。

還有具有展頻功能(FSS)版本的 MPQ4436A-AEC1，展頻功能可降低系統(tǒng)的 EMI 干擾，降低客戶整板的 EMI 設(shè)計難度，客戶可以根據(jù)需求靈活選擇。

二級電源方案

MPQ217x 汽車級開關(guān)穩(wěn)壓器系列可實現(xiàn)與 X9E、X9M 和 X9H 之間靈活的引腳對引腳兼容。該系列穩(wěn)壓器包括 MP21777-AEC1(1A I)OUT)、MP2178-AEC1(2A I)OUT) 和 MPQ2179-AEC1(3A一)OUT)，這些器件均支持不同平臺中的統(tǒng)一硬件布局。

以 X9H 為例，根據(jù)不同 SoC 電源軌的電流要求，其二級電路由多個 MPQ2179-AEC1 和 MP2167A-AEC1(6A I)OUT）組成。

圖 5 顯示了二級電源解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖 5：二級電源解決方案系統(tǒng)架構(gòu)

采用 MPQ2179-AEC1 和 MP2167A-AEC1 實現(xiàn)的二級電路具備如下優(yōu)勢：

MPQ2179 和 MPQ2167A 是專門針對 5V 應(yīng)用如信息娛樂系統(tǒng)、ADAS、攝像頭和智能座艙等設(shè)計的，這些應(yīng)用均要求快速瞬態(tài)響應(yīng)、超低噪聲、高精度輸出以及良好的散熱性能。

采用 MPS 最新的 Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 低電阻工藝，再結(jié)合先進的倒裝芯片封裝工藝，可實現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率。

MPQ2179-AEC1 的 2.4MHz 高開關(guān)頻率 (fSW) 減小了電感尺寸，避開了 AM 無線電頻段，而且降低了對汽車無線電頻段的干擾。

MP2167A-AEC1 采用小尺寸 (3mmx3mm) 封裝，其工作頻率可通過外部電阻設(shè)置，最高可達(dá) 2.2MHz。該器件還集成了豐富的保護功能，包括逐周期過流保護（OCP）、輸出短路保護（SCP）、輸入欠壓保護（UVP）和輸出過壓保護（OVP）。

背光驅(qū)動方案

X9H 最多可支持四路全高清顯示，其屏幕點亮和調(diào)光均需要背光驅(qū)動芯片。以 MP3364-AEC1 為例，該器件為一款升壓 WLED 驅(qū)動器，最大工作頻率為 2.2MHz，每通道最大驅(qū)動電流為 150mA，可支持高達(dá) 50V 的最大輸出電壓 (VOUT)（參見圖 6）。

圖 6：MP3364-AEC1 典型應(yīng)用功能框圖

MP3364-AEC1 的功能特性描述如下：

支持 I2C 接口，且芯片本身支持 3 個 I2C 地址，同一條 I2C 總線可以支持掛 3 顆芯片，方便使用時對多顆芯片進行配置；

提供三種可用調(diào)光模式：脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光、模擬調(diào)光和混合調(diào)光（PWM 和模擬調(diào)光），可通過外部引腳進行選擇。PWM 調(diào)光比和模擬調(diào)光比分別達(dá) 15000:1 和 200:1 ，精細(xì)的調(diào)光比可實現(xiàn)屏幕亮度的微調(diào)。

支持逐周期電流保護、LED 開路保護和短路保護（SCP）、電感短路保護（SCP0）、輸出過壓保護（OVP）和過溫保護（OTP）。豐富的內(nèi)部保護功能確保了背光驅(qū)動系統(tǒng)安全可靠的運行。

圖 7 展示了 X9H 參考板的多屏交互解決方案，其中面板由 MP3364-AEC1 驅(qū)動。

圖 7：X9H 參考板的多屏交互解決方案（資料來源：芯馳科技）

結(jié)語

汽車智能座艙中 SoC 的技術(shù)進步對計算能力、主頻和動態(tài)響應(yīng)速度提出了更高的要求。與此同時，它還要求單 Phase 或多 Phase 的輸出電流等級更高。這些因素的綜合將對電源芯片的選擇與設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，MPS 與芯馳科技聯(lián)手開發(fā) X9H 參考板，共同打造出一款智能座艙解決方案。本文介紹的兩級供電方案不僅可以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，還能支持電池電壓的波動，同時還提供了背光驅(qū)動方案。隨著汽車電源行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，MPS 不斷創(chuàng)新并推出極具競爭性的產(chǎn)品組合，引領(lǐng)了智能座艙的變革。


審核編輯：彭菁