设计指南 | 综合平衡ADAS应用中的电源要求

得益于高级驾驶辅助系统(ADAS),汽车驾驶正在变得越来越安全。这些系统中的摄像机与传感器、成熟算法和微处理器相结合,可以在发现道路上的障碍物时提醒驾驶员、必要时帮助制动、指示盲区等。为确保正确工作,ADAS应用要求供电电源符合特定精度以及负载瞬态响应的要求本文探讨确保汽车电池电压正确调节所需的条件,以便为恶劣环境下的ADAS摄像机、传感器和处理器有效的供电。

确保安全驾驶

ADAS等应用正在推动车载处理能力不断提升,以运行先进的算法来引导驾驶员更加安全的行驶。当然,随着处理能力越来越强大,为了符合系统性能目标,就需要对电源进行更好的管理。然而,鉴于汽车噪杂的工作环境、多个电子子系统,功率限制条件下的综合平衡电源需求就面临严峻的挑战。

在ADAS模块、信息娱乐无线音响单元和智能仪表板等快速增长领域,许多汽车工程师通过多个电源轨为各个部件供电,通常具有特定的电压调节精度要求(图1)。为满足这些严格的系统要求,能够提供高精度、高灵活性和小尺寸的汽车电源管理方案就至关重要。热限制、电磁干扰(EMI)和散热也是需要解决的关键因素。

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图1. 汽车信息娱乐系统是能够受益于高精度、高灵活性和小尺寸电源管理方案的诸多汽车应用之一

满足汽车子系统的电气和电源需求

管理汽车子系统的电气和电源事项需要巧妙的综合平衡。处理器、存储器、屏幕及其他部件都需要不同电流水平的稳定电压。所以稳压器就必须足以提供这些关键电路所需的电源,同时不产生太多的热量。如果需要多个电源轨,就会有更多电压和电流尖峰需要管理,事情就会变得非常复杂。汽车中特定的电压轨都要求特定的电压精度。例如,为了保证性能,片上系统(SoC)核心通常具有特定的电压容限。如果电压超出指标范围,就无法保证处理器性能。鉴于ADAS应用的安全特性,这显然是不可接受的。

接下来,汽车的电气和热环境也对此存在影响。汽车中直流电源轨的噪声较大。当汽车在不同的温度环境下启动时,例如冷启动、热启动或抛负载等情况,会存在较大、突然的压降。此类负载瞬态基本上发生在处理器突然面临需求增加以及消耗更大电流时。例如,处理器处于待机模式时的功耗只有峰值功耗的大约三分之一。当突然要求处理器执行动作时,消耗的电流可能达到满荷状态。在这种情况下,开关模式电源的输出电压可能发生瞬间跌落,然后发生抖动,最后稳定在其目标电压。处理此类负载瞬态响应的关键是采用设计良好的电源转换器来管理输出电压摆动,防止摆动超出指标范围并进而影响处理器性能。

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图2. Maxim的汽车PMIC经过传导和辐射发射试验,完全符合严格的CISPR 25第5级标准

EMI是工程师需要考虑的另一项挑战。汽车具有大量来自内部和外部的射频(RF)噪声,由此导致的EMI可能会限制各种汽车子系统的性能。现在的汽车机身内部包含从汽车联网系统到安全系统等大量电子子系统,这些子系统全部拥挤在非常狭小的空间内。在外部,从移动电话到发射塔等所有设备都会发射噪声,这些噪声可能会影响汽车性能(图2)。汽车OEM必须确保电子系统不发射过大EMI,并且能够承受来自于其他子系统的噪声(国际无线电干扰特别委员会的CISPR 25标准对汽车内传导和辐射发射做出了规定)。

由于解决系统电源需求的选项有限,许多现有系统针对各个电压轨分别采用分立式电源方案。例如,有些一流公司针对各个直流电源轨采用一组线性和开关DC-DC调节器。但这种方法要求具备专业的知识,仔细选择正确的元件,以满足各个电源轨的要求。如果组合不当,由于混频原因,可能会发生EMI和干扰问题。有些人选择在其设计中集成具有更大电容的元件,以抑制负载瞬态引起的电压纹波,但具有较大电容的汽车级元件非常昂贵。至于EMI,用金属外壳保护ADAS子系统免受辐射影响可能有效,但要综合权衡由此增加的成本和重量。另一方面,事实证明扩频调制能有效抑制EMI。

符合EMI标准的汽车级PMIC

在满足ADAS性能和电源要求的同时又要符合EMI标准,这就要求专业的汽车级电源管理集成电路(PMIC)。这些器件的高集成性可有效降低总体方案尺寸。扩频振荡器的加入可减轻EMI的影响。在整个温度和工作电压范围内具有高输出精度,确保器件符合严格的SoC核心电压要求。

符合汽车安全完整性等级(ASIL)要求可确保功能安全性。

Maxim丰富多样的汽车级PMIC可配合任意微处理器或微控制器工作,在满足电源要求的同时也弥补了高效和小尺寸的需求。低压PMIC家族(其中许多器件提供引脚兼容的ASIL-C版本)的最新成员包括:

MAX20014 高效、三路输出DC-DC转换器,具有同步3.8V至8.5VOUT、750mA boost转换器、两路同步1A至3A buck转换器、2.2MHz开关频率和扩频振荡器,采用24引脚、4mm x 4mm TQFN-EP封装。该器件用于配合MAX20003 36V、3A高压buck转换器工作。

MAX20075/76 36V、600mA/1.2A微型buck转换器,静态电流仅为3.5μA,具有集成高边和低边开关,采用3mm x 3mm、12引脚TDFN封装。

对于ADAS应用中的摄像机,Maxim也提供三款新型摄像机保护PMIC:

MAX20087 ASIL-B/D级四/双路摄像机电源保护器IC,具有高边限流,以保护各个摄像机模块。

MAX20019 双路同步buck转换器,2mm x 3mm封装为业界最小的3.2MHz双通道降压型电源。

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图3. Maxim电源管理方案可集成到各种汽车子系统中

总结

摄像机、传感器、微处理器以及其他用于ADAS应用的底层元件在下一代汽车中将越来越普及,对精确管理供电电源的要求也会越来越严格。汽车级PMIC综合平衡电源需求和功率约束,同时满足小尺寸方案要求,对确保安全功能的正常工作发挥着重要作用。

作者:

Warren Tsai, Maxim Integrated汽车事业部业务管理总监

Jangho Jeon, Maxim Integrated汽车事业部高级业务经理

Chintan Parikh, Maxim Integrated汽车事业部执行业务经理

George Chen, Maxim Integrated汽车事业部业务经理

本文转载自: 美信半导体
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