2019年03月12日 | 美信是如何为ADAS系统构建全面的电源管理产品线的

本文作者：美信汽车电源管理解决方案事业部执行商务经理Chintan Parikh及Nazzareno Rossetti博士

汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）解决方案领域正在快速发展，在美国和欧洲，自动紧急制动系统和前碰撞警告系统将很快成为强制性要求。ADAS功能列表非常广泛，包括驾驶员监控系统（DMS），用于监控驾驶员的注意力水平，自动驾驶，自适应前照灯控制，自动停车，交通标志识别等。

新的ADAS技术有可能提高驾驶员的安全性和舒适性，更重要的是，可以减少汽车事故和人员伤亡。然而，ADAS技术的采用为汽车设计带来了新的问题，特别是在电子解决方案尺寸，安全性和可靠性方面。本文回顾了ADAS背后的大趋势及其相关的技术挑战，并探讨了解决电源管理领域这些挑战的新解决方案。

ADAS技术具有提高驾驶员安全性和舒适性以及减少车祸和人员伤亡的潜力。

ADAS的大趋势

ADAS是一项关键的颠覆性技术，开创了交通智能移动的新时代。汽车制造商越来越多地将自己视为产品制造商和移动服务公司。除了开发能够改善交通流量和安全性的下一代互联和自动驾驶汽车外，汽车制造商还在投资大量新的移动服务。城市规划人员将利用移动生态系统来减少拥堵，同时产生额外属性，例如减少交通事故，改善空气质量，以及减少停车拥堵等。ADAS强调了安全性，同时甚至会扰乱汽车保险业，使消费者最终受益。

ADAS功能通过汽车上部署的大量传感器实现，这些传感器与整个汽车的I / O模块，执行器和控制器相连。最终，连接到云支持功能的板载传感器将提供来自其他车辆和云基础设施的外部数据，用于连接安全，高级驾驶辅助支持以及自动驾驶软件和功能。

挑战

ADAS功能的激增令汽车中的控制器、传感器、I/O和执行器中的大量处理器和连接接口增加，这反过来又对系统硬件提出了新的要求，包括：减小元件尺寸以适应同一空间内的其他电子元件，提高能效以在相同或更低的热环境内执行，以及提高电气/机械安全性和可靠性以减少故障。

ECU的电源管理电子设备必须能够承受恶劣的汽车环境（冷/热曲柄，负载突降，启动/停止），具有高精度，且受到良好保护（对地短路，电池短路，OV，OC等），以及保护免受电磁干扰（EMI）。对于诸如雷达模块，传感器融合和控制器局域网（CAN）之类的“安全”模块以及诸如信息娱乐系统、仪表盘和主机单元之类的非安全模块都是如此。

此外，安全模块必须符合汽车安全完整性等级（ASIL）标准，包括更严格的保护和准确性，冗余参考，开放故障安全诊断引脚等功能。因此，许多电源管理产品都提供ASIL和非ASIL版本。总之，电子元件的主要挑战是小型化和安全性和可靠性。

解决方案小型化

在本节中，我们将讨论汽车的节省空间的电源管理解决方案。首先，我们将讨论位于汽车周边的远程摄像机，然后转移到智能汽车核心的ECU，最后，我们将审查与电池接口的前端电压调节器。

如何使您的汽车远程摄像头小型化

远程摄像机模块通常由同轴电源（POC）8V电压轨供电，功耗约为1 W或更低（<125 mA）。该电压轨通过降压为负载供电，包括成像器和串行器（图1）。相机的运作模式为开/关，无论是全开还是完全关闭。因此，选择简化的降压转换器IC更具成本效益，该降压转换器IC设计用于满负荷时的高效率，而无需额外的零部件用于增强轻载操作。

Maxim_ADAS远程相机同轴电缆供电框图

通过使用两个高效双降压转换器IC，可以覆盖四个电源轨，我们可以节省空间并将损耗降至最低。表1顶部所示的双降压转换器是该应用的一个例子。

如何缩小ADAS ECU

智能汽车装有ADAS电子控制单元（ECU），每个电子控制单元都从汽车电池获取电力。每个ECU都支持特定的汽车功能，并具有自己的专用电源管理功能。由于具有如此高的可变性，使用离散方法来实现ECU的电源管理实施似乎是唯一的选择;也就是说，每个模组都需要一个单独的电源管理。然而，这种方法无法满足客户的要求，尤其是小型化方面。本节回顾了三种截然不同的ECU应用，并表明即使需要多个构建模块，定制的电源管理集成方法也可以轻松解决这一难题。

ADAS雷达电源解决方案

图2显示了一个高度集成的解决方案，可将电源管理芯片数量减少到两个。高压侧（HV）降压转换器可承受负载突降，并将电压降至3.3 V，同时允许在其输出附近进行冷启动（远低于6 V）。另外一款则是高密度，集成后端稳压器的低压PMIC。通过这种划分，所需的区域可以方便地分成两部分 - 一个用于前端降压转换器（HV BUCK），另一个用于PMIC - 使得电源管理解决方案易于“包裹”在信号链电路周围。


图2：ADAS雷达PMIC方案

如果需要微控制器需要满足ASIL要求，则需要三个高效低压DC / DC转换器输出的小型PMIC就足够了。前端降压转换器（HV BUCK）与电池连接。 PMIC和前端降压的示例在表1中提供。在该实施方式中，总ADAS雷达功率管理解决方案区域估计为750平方毫米，是采用分立方案的一半面积大小。

ADAS摄像头电源解决方案

先前的方案也可复制到摄像头ECU解决方案上。图3显示了ECU内部的PMIC，仅由8.5 V升压转换器和1.8 V降压转换器组成。其中1.8V电压轨为微处理器供电，8.5 V电源轨通过同轴电缆为摄像头供电。



图3：摄像头ECU内部的PMIC电源

针对ADAS摄像头ECU应用量身定制的PMIC，集成了一个同步升压和一个降压转换器，如表1所示。总解决方案面积（PMIC + HV BUCK）估计约为550平方毫米。

仪表盘电源解决方案

仪表板MCU处理仪表板仪表显示的信息。在图4中，片上系统（SoC）微控制器需要两个电源，1.1 V为其内核供电，1.8 V为外围供电。这里，仪表盘ECU在表1中所示的双降压PMIC适合ADAS微处理器内核和外围电源应用。总面积（PMIC和HV BUCK）估计约为560平方毫米。

图4：仪表盘PMIC。

为您的汽车ECU选择合适的前端降压转换器

汽油车主要依靠铅酸电池供电，电池原始电源和精密电子设备之间的接口需要一个可以支持不同瞬态条件下的前端调节器。

降压转换器必须能够承受电池电压，在充满电的电池上电压可高达14.7 V.采用启停技术的车辆在发动机启动时会出现大的电压骤降，因此电源的下限远低于典型的12 V，可低至4 V或更低。同时PWM开关频率需要更高且控制良好（高于AM频带范围500 kHz至1.7 MHz）以降低射频干扰，而扩频则是满足EMI标准所必需的。

如果ECU的复杂程度很低，那么一个简单的全单片IC就足以满足前端降压转换器的要求。对于低于8 A的电流水平，单片解决方案可以在尽可能小的PCB面积内提供最佳效率。

对于中到高级复杂度的产品，需要8 A至20 A的总电流，前端降压转换器最方便的解决方案是控制器IC和外部低RDS（ON）MOSFET。例如，具有3.5μA静态电流的2.2 MHz同步降压控制器IC如集群ECU前端的表1所示。它适用于具有中高功率要求和高达20 A的电流。

对于要求总电流水平高于20 A的系统，双相交错控制器是前端降压转换器的最佳解决方案。表1还列出了一个2.2 MHz，双相单路输出或单相双路输出同步降压控制器。

安全可靠

在本节中，我们将首先讨论从电池到远程摄像机的电路安全性，使用适当的保护装置并遵守ASIL-B和ASIL-D安全规范可提高电气安全性，我们还将审查驾驶员的安全。LED驱动器在复杂的照明模式方面发挥着关键作用，从而提高了驾驶者的视野。同样，红外LED驱动器在DMS应用中起着重要作用，检查驾驶员的状态。我们将强调节能的重要性，这些解决方案可以减少热量产生，从而提高可靠性。

提供从电池到远程摄像机的安全电源路径

通过同轴电缆进入摄像机模块的电流和电压必须带有监视和控制功能，以应对各种类型的故障。图5示出了环绕视图相机系统的示例。这里，降压 - 升压转换器连接到电池，并通过四路保护器IC，一组交流阻断线圈（L）和四根同轴电缆为远程摄像机提供直流电源。四路解串器通过交流耦合电容器（C）和相同的同轴电缆将微处理器连接到远程摄像机。

图5：环视摄像系统。

作为示例，表1中列出了在相机ECU前端下的四路相机保护器。该ADAS IC可有效地为从汽车电池到远程摄像机的路径提供电源和保护。

通过高功率降压LED控制器实现卓越的汽车外部照明

LED具有优于传统技术的显着优势。LED前照灯中白光的卓越清晰度（图6）改善了驾驶员的反应时间，由LED矩阵启用的自适应前照灯系统（AFS）可产生快速，复杂的光图案变化，从而提高驾驶员在光线不足条件下的可视性。

在晚上，为了响应迎面而来的汽车的光束，AFS可以自动调节光线模式，防止影响迎面而来的驾驶员。LED照明上升时间是白炽灯光源的两倍，因此基于LED的刹车灯可以更快地照亮并为驾驶员提供高级警告，从而提高道路安全性。

最后，LED比白炽灯消耗更少的功率，从而在燃料消耗方面具有显着优势。LED控制器，即操作LED的电子元件，在保持和增强固有LED质量的清晰度，速度和效率方面发挥着重要作用。

图6：LED汽车前照灯。

高亮度LED（HB LED）需要恒定电流才能获得最佳性能。因为电流必须保持恒定以保持颜色，所以LED的最佳调光策略是脉冲宽度调制（PWM），其中通过对电流进行时间分片而不是通过改变幅度来调制光强度。 PWM频率必须保持在200 Hz以上，以防止LED闪烁。

对于PWM调光，最小LED“开/关”时间的限制是在开关稳压器电感器中上升/下降电流所需的时间，这可能会增加数十微秒的响应时间，这对于需要快速，复杂调光模式的LED大灯集群应用来说太慢了。在这种情况下，调光只能通过专用MOSFET开关（图7中的SW1-K）单独接通/断开串中的每个LED来执行。电流控制环路的挑战是足够快，以便让二极管从输出电压瞬变中快速恢复。

先进的大灯系统利用升压转换器作为前端来管理输入电压（转储或冷启动）和EMI发射的可变性。升压转换器提供良好调节且足够高的输出电压（图7）。专用降压转换器使用这种稳定的输入电源，可以通过允许每个降压转换器控制单个功能来处理灯的强度、位置及其他复杂性操作，例如远光灯，近光灯，雾灯，日间行车灯（DRL） ，位置等。



图7：高级LED照明系统。

理想的解决方案应满足宽输入电压范围，快速瞬态响应和高且良好控制的开关频率的要求，同时通过同步整流实现高效率。

作为示例，在头灯ECU应用中，表1中列出了实现这种解决方案的降压LED控制器。对于电流高达2 A的紧凑型照明应用，降压LED转换器是理想的解决方案。一个完全同步的2A降压转换器集成了两个低RDS（ON）0.14Ω（典型值）MOSFET，并确保高达95％的高效率，也在表1的相同部分中显示。高集成度带来PCB面积的缩小。图7中的升压转换器可以使用表1中相同部分所示的36V，2.5MHz汽车升压/ SEPIC控制器实现。

用于DMS的红外摄像机

红外（IR）摄像机利用IR-LED二极管和CMOS传感器，识别驾驶者的危险行为，诸如瞌睡等。使用红外线的优点是它对人眼的隐蔽性和夜视能力。图像分析处理信息可以确定驾驶员是否疲劳或分心，IR-LED二极管的典型正向电压为2.8 V，正向电流为1A，系统直接连接到电池。

作为示例，在IR DMS下的表1中示出了降压LED驱动器。完全同步的2A降压转换器集成了两个低RDS（ON）0.14Ω（典型值）MOSFET，可确保高达95％的高效率。凭借其4.5 V至65 V输入电源范围，该IC可轻松承受电池负载突降，是DMS应用中前端降压转换器的理想选择。

ADAS汽车电源产品摘要

表1是ADAS的示例电源管理方法所有参考

总结

ADAS技术具有提高驾驶员安全性和舒适性以及减少车祸和人员伤亡的潜力， ADAS技术的采用给电子解决方案的尺寸，安全性和可靠性带来了挑战。

针对每项挑战，美信都有对应的电源管理解决方案，有效帮助用户实现ADAS系统的示例。针对小型化挑战，我们为远程摄像头模块以及摄像头，雷达和仪表盘ECU提出了高度集成的解决方案。为了更好的安全性和可靠性，我们提出了照明，ECU前端，IR和雷达应用的解决方案。最后，对于安全模块，我们强调了符合ASIL标准的IC的可用性。这些电源管理解决方案克服了当今ADAS实施所面临的各种严峻挑战。