自動駕駛汽車的電源系統(tǒng)能勝任嗎?

自動駕駛汽車，它們不需要一個人類駕駛員坐在方向盤后面（當(dāng)然，也許會有一個，但并不是從傳統(tǒng)的角度實際使用操控機(jī)制）。與之相反，相當(dāng)于人類駕駛員的微型計算 機(jī)主機(jī)運(yùn)行大量的計算機(jī)代碼，與車輛內(nèi)外各種不同的傳感器陣列相連。它們連接至云，并可以完全實時模擬車輛周圍的外 部環(huán)境，從而根據(jù)當(dāng)前四周的交通情況預(yù)期需要采取的行動。 無論氣候、環(huán)境和交通條件的范圍和狀況如何，這些操作都會 正常執(zhí)行。

不幸的是，最近在亞利桑那州發(fā)生了一起自動駕駛路測車撞死 騎車人的事故。據(jù)當(dāng)?shù)鼐奖硎荆T車人當(dāng)時正在人行道以外的地方穿越馬路。雖然自行車位于事故現(xiàn)場，但警方并不認(rèn)為事故發(fā)生時，受害者正騎著自行車。受害者被緊急送往附近的醫(yī)院，并在抵達(dá)醫(yī)院后不久被宣布死亡。

事發(fā)時，在自動駕駛SUV的方向盤后有一個人，但是那個人并沒有實際操控車輛。據(jù)當(dāng)?shù)毓賳T介紹，事發(fā)時車內(nèi)沒有其他乘 客。值得注意的是，亞利桑那州是美國為數(shù)不多的州，認(rèn)定自 動駕駛汽車的駕駛座不需要有人以便必要時接管車輛操控為合法的。然而，這類事故無法增加公眾對無人駕駛汽車的自動駕駛能力的信心。

自動駕駛車輛時間表

毫無疑問，盡管自動駕駛汽車在發(fā)展過程上會遭遇一些挫折， 它仍在逐步向我們走近。因此，有一些問題值得思考：我們什 么時候真正步入自動駕駛，還需要多久？

根據(jù)汽車行業(yè)的分析，自動駕駛的變遷路徑有兩種標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語： 一種是演進(jìn)式的，正如當(dāng)前許多汽車正在逐步推進(jìn)（類似于特 斯拉的自動駕駛功能）；另一種是革命性的，即全自動駕駛汽 車（如谷歌正在研制的）。在我看來，單靠哪種路徑取得成功 仍不明朗，但更有可能的結(jié)果是兩者共生融合。

那么，未來幾年會如何發(fā)展？以我從一些關(guān)鍵行業(yè)的專家那里 獲得的相關(guān)信息來看，下列領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步發(fā)展：

更多高級駕駛員輔助功能，可實現(xiàn)與導(dǎo)航和GPS系統(tǒng)同步。

類似谷歌這樣的公司將收集和積累有關(guān)自動駕駛汽車可能 遇到的每一種情況的數(shù)據(jù)。

測繪公司將需要加強(qiáng)主要城市的3D測繪數(shù)據(jù)支持。

汽車制造商和高科技汽車系統(tǒng)供應(yīng)商需要彼此緊密合作， 以確保光檢測器、激光雷達(dá)、雷達(dá)傳感器、GPS和攝像頭協(xié) 同工作。

整合了上述功能的汽車必須在所有地形和氣候條件下進(jìn)行 測試。

展望未來，到2020年，配備了上述半自動功能的汽車應(yīng)當(dāng)可以 自主駕駛以通過交叉路口、交通信號燈和停車讓行等交通條件。 盡管如此，這些高度自主的車輛在緊急情況下仍然需要一個人 類駕駛員坐在前面。預(yù)計到2024年，這些半自主駕駛汽車將能 夠在更加嚴(yán)苛的條件（如惡劣天氣和夜間）下正常行駛。到那 時，Lyft打車服務(wù)提供商也許可以開始使用這類汽車，而無需 任何司機(jī)。當(dāng)然，汽車制造商需要確保其汽車能夠理解來自路 人的信號，如在過馬路時候招手。所有這些發(fā)展必然要求汽車 制造商在其車輛上搭載許多自主功能，這樣才有可能實現(xiàn)全自 動駕駛汽車在2030年代中期順利上路。

當(dāng)然，實現(xiàn)這一時間表所需的所有發(fā)展進(jìn)步將為IC半導(dǎo)體行業(yè) 創(chuàng)造大好良機(jī)，因為將其付諸實現(xiàn)將要求許多系統(tǒng)增加大量的 硅技術(shù)內(nèi)容。這些硅技術(shù)內(nèi)容將由數(shù)字和模擬集成電路(IC)組成。

模擬IC

全自動駕駛汽車顯然將配備眾多由不同的數(shù)字和模擬IC組成的 電子系統(tǒng)。它們將包括高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動駕駛 計算機(jī)、自動停車輔助、盲區(qū)監(jiān)測、智能巡航控制、夜間視覺、 激光雷達(dá)等，不勝枚舉。所有這些系統(tǒng)都需要多種不同的電壓 軌和電流電平，以確保其正常工作。它們可以直接從汽車電池 和/或交流發(fā)電機(jī)供電，在某些情況下，也可以從經(jīng)由這些電壓 軌進(jìn)行了后級調(diào)節(jié)的電源軌供電。后者通常發(fā)生在VLSI數(shù)字IC （如FPG和GPU）的內(nèi)核電壓情況下，此時可能需要小于1 V的工 作電壓而電流為幾到幾十安培。

系統(tǒng)設(shè)計人員必須確保ADAS符合車內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車環(huán) 境中，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代那些在低散熱和高效率很重要的區(qū) 域中的線性穩(wěn)壓器。而且，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上 的第一個有源部件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發(fā)射有兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射通過電線和走線連接到 產(chǎn)品。由于該噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器，因此如 上所述，在早期開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設(shè)計，通 常可以相對容易地保證符合傳導(dǎo)輻射要求。

不過，輻射發(fā)射完全是另一回事。電路板上任何承載電流的東 西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，每 個銅層都是一個諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外，任何 其他東西都會在整個信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設(shè)計，在 系統(tǒng)進(jìn)行測試之前，電源設(shè)計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會 有多糟糕，而輻射發(fā)射測試只有在設(shè)計基本完成之后才能正式 進(jìn)行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強(qiáng)度， 從而降低EMI。通過空間傳播（輻射）的這部分能量可通過添加 金屬和磁屏蔽來衰減。位于PCB走線（傳導(dǎo)）的能量部分可通過 添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來抑制。EMI無法消除，但可以衰 減到其他通信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外，多家監(jiān)管機(jī) 構(gòu)通過實施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確保合規(guī)。

具有低EMI/EMC輻射的高壓轉(zhuǎn)換器解決方案

鑒于本文所述的應(yīng)用限制，ADI公司Power by Linear?部門開發(fā)出 LT8650S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻射的同步 降壓轉(zhuǎn)換器。該器件3 V至42 V輸入電壓范圍使其成為汽車應(yīng)用 （包括ADAS）的理想選擇，因為汽車應(yīng)用必須勝任冷啟動和啟停 場景下的調(diào)節(jié)，最低輸入電壓低至3 V，電源切斷瞬變超過40 V。 如圖1所示，該器件采用雙通道設(shè)計，由兩個高壓4 A通道組成， 提供低至0.8 V的輸出電壓，從而可以驅(qū)動目前市場上電壓最低 的微處理器內(nèi)核。開關(guān)頻率為2 MHz時，其同步整流拓?fù)淇蓪崿F(xiàn) 高達(dá)94.4%的效率，而在空載待機(jī)條件下，突發(fā)工作模式(Burst Mode?)保持靜態(tài)電流低于6.2 μA（兩個通道都打開），因此非常 適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

圖1. 2 MHz時提供5 V、4 A和3.3 V、4 A輸出的LT8650S簡化原理圖。

LT8650S的開關(guān)頻率可以在300 kHz到3 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程，并 且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。低至40 ns的最短導(dǎo)通時間可 在開關(guān)頻率為2 MHz時，在高壓通道上實現(xiàn)16 VIN到2.0 VOUT的降壓 轉(zhuǎn)換。其獨(dú)特的Silent Switcher? 2架構(gòu)使用兩個內(nèi)部輸入電容以 及內(nèi)部BST和INTVCC電容，以將熱環(huán)路面積減至最小。結(jié)合嚴(yán)格 受控的開關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用銅柱代替鍵合 線，LT8650S的設(shè)計大大降低了EMI/EMC輻射。

圖2顯示了輸出輻 射的特性。改進(jìn)的EMI/EMC性能對電路板布局不敏感，即使使 用2層PCB時也是如此，從而可以簡化設(shè)計并降低風(fēng)險。在整個 負(fù)載范圍內(nèi)，開關(guān)頻率為2 MHz時，LT8650S可以輕松符合汽車 CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進(jìn)一步降 低EMI水平。

LT8650S內(nèi)置上下高功率開關(guān)，并將必要的升壓二極管、振蕩 器、控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)工作模 式可在低輸出電流下保持高效率，同時使輸出紋波低于10 mV p-p。最后，LT8650S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4 mm×6 mm IC引腳 LGA封裝。

同樣的，對于需要比LT8650S提供的輸入范圍更寬的應(yīng)用，我們 還開發(fā)了LT8645S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻 射的同步降壓轉(zhuǎn)換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V，因而既 適合汽車應(yīng)用，也適合卡車應(yīng)用，這些應(yīng)用必須勝任冷啟動和 啟停場景下的調(diào)節(jié)，最低輸入電壓低至3.4 V，電源切斷瞬變超 過60 V。如圖3所示，該器件采用單通道設(shè)計，提供5 V、8 A輸 出。開關(guān)頻率為2 MHz時，其同步整流拓?fù)淇蓪崿F(xiàn)高達(dá)94%的效 率，而在空載待機(jī)條件下，突發(fā)工作模式保持靜態(tài)電流低于2.5 μA，因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

LT8645S的開關(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程，并 且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨(dú)特的Silent Switcher 2架 構(gòu)使用兩個內(nèi)部輸入電容以及內(nèi)部BST和INTVCC電容，以將熱環(huán) 路面積減至最小。結(jié)合嚴(yán)格受控的開關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)，并用銅柱代替鍵合線，LT8645S的設(shè)計大大降低了EMI/ EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改進(jìn)的EMI/EMC性能對 電路板布局不敏感，即使使用2層PCB時也是如此，從而可以簡 化設(shè)計并降低風(fēng)險。在整個負(fù)載范圍內(nèi)，LT8645S可以輕松符合 汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進(jìn)一 步降低EMI水平。

LT8645S內(nèi)置上下高功率開關(guān)，并將必要的升壓二極管、振蕩 器、控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)工作模式 可在低輸出電流下保持高效率，同時使輸出紋波低于10 mV p-p。 最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4 mm×6 mm IC 32引腳LQFN 封裝。

論自動駕駛汽車（和卡車）所需的汽車電子系統(tǒng)當(dāng)前和未來都 在不斷發(fā)展普及。當(dāng)然，電壓和電流電平會改變。然而，對低 EMI/EMC輻射的要求不會改變——即使在惡劣的工作環(huán)境中也是 如此。值得慶幸的是，ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線提供越來越 多的解決方案，以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)對現(xiàn)在、將來、直至遠(yuǎn) 及2030年代中期的挑戰(zhàn)。