探討確保汽車電池電壓正確調(diào)節(jié)所需的條件

得益于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，汽車駕駛正在變得越來(lái)越安全。這些系統(tǒng)中的攝像機(jī)與傳感器、成熟算法和微處理器相結(jié)合，可以在發(fā)現(xiàn)道路上的障礙物時(shí)提醒駕駛員、必要時(shí)幫助制動(dòng)、指示盲區(qū)等。為確保正確工作，ADAS應(yīng)用要求供電電源符合特定精度以及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求本文探討確保汽車電池電壓正確調(diào)節(jié)所需的條件，以便為惡劣環(huán)境下的ADAS攝像機(jī)、傳感器和處理器有效的供電。

ADAS等應(yīng)用正在推動(dòng)車載處理能力不斷提升，以運(yùn)行先進(jìn)的算法來(lái)引導(dǎo)駕駛員更加安全的行駛。當(dāng)然，隨著處理能力越來(lái)越強(qiáng)大，為了符合系統(tǒng)性能目標(biāo)，就需要對(duì)電源進(jìn)行更好的管理。然而，鑒于汽車噪雜的工作環(huán)境、多個(gè)電子子系統(tǒng)，功率限制條件下的綜合平衡電源需求就面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在ADAS模塊、信息娛樂(lè)無(wú)線音響單元和智能儀表板等快速增長(zhǎng)領(lǐng)域，許多汽車工程師通過(guò)多個(gè)電源軌為各個(gè)部件供電，通常具有特定的電壓調(diào)節(jié)精度要求(圖1)。為滿足這些嚴(yán)格的系統(tǒng)要求，能夠提供高精度、高靈活性和小尺寸的汽車電源管理方案就至關(guān)重要。熱限制、電磁干擾(EMI)和散熱也是需要解決的關(guān)鍵因素。

圖1. 汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)是能夠受益于高精度、高靈活性和小尺寸電源管理方案的諸多汽車應(yīng)用之一

管理汽車子系統(tǒng)的電氣和電源事項(xiàng)需要巧妙的綜合平衡。處理器、存儲(chǔ)器、屏幕及其他部件都需要不同電流水平的穩(wěn)定電壓。所以穩(wěn)壓器就必須足以提供這些關(guān)鍵電路所需的電源，同時(shí)不產(chǎn)生太多的熱量。如果需要多個(gè)電源軌，就會(huì)有更多電壓和電流尖峰需要管理，事情就會(huì)變得非常復(fù)雜。汽車中特定的電壓軌都要求特定的電壓精度。例如，為了保證性能，片上系統(tǒng)(SoC)核心通常具有特定的電壓容限。如果電壓超出指標(biāo)范圍，就無(wú)法保證處理器性能。鑒于ADAS應(yīng)用的安全特性，這顯然是不可接受的。

接下來(lái)，汽車的電氣和熱環(huán)境也對(duì)此存在影響。汽車中直流電源軌的噪聲較大。當(dāng)汽車在不同的溫度環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)，例如冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)或拋負(fù)載等情況，會(huì)存在較大、突然的壓降。此類負(fù)載瞬態(tài)基本上發(fā)生在處理器突然面臨需求增加以及消耗更大電流時(shí)。例如，處理器處于待機(jī)模式時(shí)的功耗只有峰值功耗的大約三分之一。當(dāng)突然要求處理器執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，消耗的電流可能達(dá)到滿荷狀態(tài)。在這種情況下，開關(guān)模式電源的輸出電壓可能發(fā)生瞬間跌落，然后發(fā)生抖動(dòng)，最后穩(wěn)定在其目標(biāo)電壓。處理此類負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵是采用設(shè)計(jì)良好的電源轉(zhuǎn)換器來(lái)管理輸出電壓擺動(dòng)，防止擺動(dòng)超出指標(biāo)范圍并進(jìn)而影響處理器性能。

圖2. Maxim的汽車PMIC經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射發(fā)射試驗(yàn)，完全符合嚴(yán)格的CISPR 25第5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

EMI是工程師需要考慮的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。汽車具有大量來(lái)自內(nèi)部和外部的射頻(RF)噪聲，由此導(dǎo)致的EMI可能會(huì)限制各種汽車子系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)在的汽車機(jī)身內(nèi)部包含從汽車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)到安全系統(tǒng)等大量電子子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)全部擁擠在非常狹小的空間內(nèi)。在外部，從移動(dòng)電話到發(fā)射塔等所有設(shè)備都會(huì)發(fā)射噪聲，這些噪聲可能會(huì)影響汽車性能(圖2)。汽車OEM必須確保電子系統(tǒng)不發(fā)射過(guò)大EMI，并且能夠承受來(lái)自于其他子系統(tǒng)的噪聲(國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)的CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車內(nèi)傳導(dǎo)和輻射發(fā)射做出了規(guī)定)。

由于解決系統(tǒng)電源需求的選項(xiàng)有限，許多現(xiàn)有系統(tǒng)針對(duì)各個(gè)電壓軌分別采用分立式電源方案。例如，有些一流公司針對(duì)各個(gè)直流電源軌采用一組線性和開關(guān)DC-DC調(diào)節(jié)器。但這種方法要求具備專業(yè)的知識(shí)，仔細(xì)選擇正確的元件，以滿足各個(gè)電源軌的要求。如果組合不當(dāng)，由于混頻原因，可能會(huì)發(fā)生EMI和干擾問(wèn)題。有些人選擇在其設(shè)計(jì)中集成具有更大電容的元件，以抑制負(fù)載瞬態(tài)引起的電壓紋波，但具有較大電容的汽車級(jí)元件非常昂貴。至于EMI，用金屬外殼保護(hù)ADAS子系統(tǒng)免受輻射影響可能有效，但要綜合權(quán)衡由此增加的成本和重量。另一方面，事實(shí)證明擴(kuò)頻調(diào)制能有效抑制EMI。

在滿足ADAS性能和電源要求的同時(shí)又要符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，這就要求專業(yè)的汽車級(jí)電源管理集成電路(PMIC)。這些器件的高集成性可有效降低總體方案尺寸。擴(kuò)頻振蕩器的加入可減輕EMI的影響。在整個(gè)溫度和工作電壓范圍內(nèi)具有高輸出精度，確保器件符合嚴(yán)格的SoC核心電壓要求。

符合汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)要求可確保功能安全性。

Maxim豐富多樣的汽車級(jí)PMIC可配合任意微處理器或微控制器工作，在滿足電源要求的同時(shí)也彌補(bǔ)了高效和小尺寸的需求。低壓PMIC家族(其中許多器件提供引腳兼容的ASIL-C版本)的最新成員包括：

• MAX20014高效、三路輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有同步3.8V至8.5VOUT、750mA boost轉(zhuǎn)換器、兩路同步1A至3A buck轉(zhuǎn)換器、2.2MHz開關(guān)頻率和擴(kuò)頻振蕩器，采用24引腳、4mm x 4mm TQFN-EP封裝。該器件用于配合MAX20003 36V、3A高壓buck轉(zhuǎn)換器工作。

• MAX20075/7636V、600mA/1.2A微型buck轉(zhuǎn)換器，靜態(tài)電流僅為3.5μA，具有集成高邊和低邊開關(guān)，采用3mm x 3mm、12引腳TDFN封裝。

對(duì)于ADAS應(yīng)用中的攝像機(jī)，Maxim也提供三款新型攝像機(jī)保護(hù)PMIC：

• MAX20087ASIL-B/D級(jí)四/雙路攝像機(jī)電源保護(hù)器IC，具有高邊限流，以保護(hù)各個(gè)攝像機(jī)模塊。

• MAX20019雙路同步buck轉(zhuǎn)換器，2mm x 3mm封裝為業(yè)界最小的3.2MHz雙通道降壓型電源。

圖3. Maxim電源管理方案可集成到各種汽車子系統(tǒng)中

攝像機(jī)、傳感器、微處理器以及其他用于ADAS應(yīng)用的底層元件在下一代汽車中將越來(lái)越普及，對(duì)精確管理供電電源的要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。汽車級(jí)PMIC綜合平衡電源需求和功率約束，同時(shí)滿足小尺寸方案要求，對(duì)確保安全功能的正常工作發(fā)揮著重要作用。