【導(dǎo)讀】安全性和功能性是汽車技術(shù)演進的兩個主要目標。前者是人們對汽車作為交通工具的核心訴求，以盡可能杜絕由汽車系統(tǒng)故障或人為因素所造成的事故；后者則是要不斷擴展汽車產(chǎn)品的外延，帶來更佳的用戶體驗。
沿著這樣設(shè)計思路，越來越多的汽車電子系統(tǒng)正在被開發(fā)出來，并被集成到駕駛艙中，其中最有代表性的就是高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）。
通過使用傳感器（包括攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等）感知周圍的環(huán)境，并基于功能強大的實時數(shù)據(jù)處理和計算能力進行分析和決策，今天的ADAS系統(tǒng)正在不斷提升自身的智能化水平，實現(xiàn)自動緊急停車、盲點監(jiān)測、車輛/行人報警和避讓、車道偏離報警和輔助等功能，以緩解駕駛員的負擔(dān)，減少人為操作錯誤，提升整體的行車安全。而且通過整合高速通信功能，ADAS系統(tǒng)也在與導(dǎo)航定位、V2X車聯(lián)網(wǎng)等車載遠程信息系統(tǒng)相融合，匯聚更多的信息和數(shù)據(jù)，向終極的全自動駕駛邁進。
ADAS電源管理設(shè)計的挑戰(zhàn)
顯而易見，這樣的ADAS系統(tǒng)——而且是功能在不斷擴展的系統(tǒng)——會給車載電源管理系統(tǒng)的設(shè)計帶來不小的挑戰(zhàn)。
首先，各種功能的集成，意味著要消耗更多的電能，因此電源管理系統(tǒng)需要具有大電流、高功率的支持能力。比如，第一代ADAS SoC（如Mobileye EyeQ）僅消耗2W至3W功率，而目前具有更強大的數(shù)據(jù)處理和計算能力的ADAS SoC，如NVIDIA的Xavier?，則需消耗20W至30W或更多功率。為了支持新一代的ADAS SoC器件，車載電源系統(tǒng)通常需要經(jīng)過兩級電壓轉(zhuǎn)換——先從12V電池電源（或者是48V系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換為一個可輸出較高電流（10A或更高）的中間電源軌，再由此在負載點附近轉(zhuǎn)換為SoC內(nèi)核、接口、外設(shè)等所需的各種低電壓軌。這樣的電源管理系統(tǒng)架構(gòu)更為復(fù)雜，需要考量的技術(shù)細節(jié)也會更多。
其次，實現(xiàn)更復(fù)雜的架構(gòu)、支持更大的電流，勢必會增加電源管理系統(tǒng)的尺寸，而在有限的汽車空間內(nèi)，這會與小型化的設(shè)計要求形成矛盾。比如，為了減小駕駛的視覺盲區(qū)，ADAS系統(tǒng)中需要集成越來越多的攝像頭，而攝像頭模塊PCB上留給電源系統(tǒng)的空間并不大，這就需要高集成度、更高效的電源管理方案提供助力。
第三，與其他電子產(chǎn)品相比，車載電源管理系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境更為復(fù)雜，而對于可靠性的要求卻更高。要知道，無論是傳統(tǒng)汽車中由內(nèi)燃發(fā)動機驅(qū)動的交流發(fā)電機供電，還是電動汽車中由動力電池供電，它們都算不上是“穩(wěn)定”的電源，總是會受到汽車運行狀態(tài)、外部環(huán)境等諸多因素的影響，發(fā)生各種各樣的緊急狀況，如拋負載、冷啟動、蓄電池極性接反、雙蓄電池跨接、尖峰箝位和多種瞬變狀態(tài)。因此在電源管理系統(tǒng)設(shè)計時，必須要從器件級和系統(tǒng)級通盤考慮相應(yīng)的電路保護策略，防范這些風(fēng)險因素，以確保汽車電源穩(wěn)定可靠、無故障地運行。
再有，車載電源還面臨著EMC設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。在汽車中廣泛使用的開關(guān)穩(wěn)壓器，本身就容易在開關(guān)操作過程中產(chǎn)生噪聲，形成EMI干擾。隨著器件開關(guān)頻率的增加，EMI的影響會更突出。所以，能否降低EMI噪聲，滿足相關(guān)測試規(guī)范的要求，也是衡量電源管理器件性能和系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的一個關(guān)鍵點。
此外，汽車電源系統(tǒng)的設(shè)計還必須要滿足功能安全的要求，符合ASIL標準，這就需要更為嚴格的保護和準確性、冗余設(shè)計，以及各種故障保護和診斷功能等。其中一個例子就是汽車電源系統(tǒng)中電壓監(jiān)控器的使用，其作用是當(dāng)電源高于或低于用戶定義的閾值時發(fā)出復(fù)位信號，以降低系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。這些功能在其他非車規(guī)應(yīng)用中可能不是必需的，但在汽車電源管理系統(tǒng)中是不可或缺的存在。
圖1：汽車中的典型電氣系統(tǒng)
（圖源：Analog Devices）
ADAS電源管理設(shè)計的挑戰(zhàn)
下面我們可以通過一個具體的案例，來進一步說明在現(xiàn)實的汽車電源管理路徑設(shè)計中，該如何綜合考慮上述這些技術(shù)要求，實現(xiàn)一個理想的解決方案。
圖2是一個典型的ADAS遠程攝像頭的電源管理系統(tǒng)電路圖。電能從汽車電池輸出后，先經(jīng)過前端的初級降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，再通過保護IC、交流阻斷線圈，由同軸電纜為后端的攝像頭提供直流電源；在后端（遠端）單個攝像頭模塊上，需要由兩個降壓轉(zhuǎn)換器進行次級電壓轉(zhuǎn)換，為成像器和串行器供電。
圖2：ADAS遠程攝像頭單通道電源管理路徑
（圖源：Analog Devices）
在這個應(yīng)用場景中，需要從三個方面來綜合考慮以實現(xiàn)安全的電源管理路徑設(shè)計：
前端電源
就是將發(fā)電機或電池輸出的電壓，轉(zhuǎn)換為一個中間電源軌。不過如上文所述，現(xiàn)實應(yīng)用環(huán)境中，發(fā)電機或車載電池所提供的電源電壓是很不穩(wěn)定的，受到發(fā)動機啟/停、冷啟動等環(huán)境因素的影響，會在幾伏到十幾伏很寬的范圍內(nèi)波動。因此前端電源設(shè)計面臨的一個很大的挑戰(zhàn)就是：要能夠支持非常寬的輸入電壓范圍，并將其轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)為高度穩(wěn)定的中間電源軌輸出，還要滿足高效率、大電流等性能要求，同時也要兼顧EMI方面的優(yōu)化。
后端電源
其作用是在靠近負載的后端進行次級轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。除了滿足效率、EMI、保護等基本的電源管理性能要求外，小型化是后端電源設(shè)計中十分關(guān)鍵的要素。以這個ADAS遠程攝像頭應(yīng)用為例，在集成多攝像頭的環(huán)視系統(tǒng)中，需要在狹小的空間內(nèi)同時支持多路電源的高效轉(zhuǎn)換，這時高度集成、多通道的電源管理器件顯然是更優(yōu)的選擇。
安全和保護
不論在電源器件中集成保護功能，還是使用單獨的保護和監(jiān)控元器件，實現(xiàn)安全和保護都是汽車電源管理系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的一環(huán)。圖2的應(yīng)用場景中，在長同軸電纜上傳輸電力和數(shù)據(jù)，需要面對的主要安全風(fēng)險就是對地短路（STG）和電池短路（STB），如果沒有相應(yīng)的保護措施，前者會由于電力被直接導(dǎo)入大地而導(dǎo)致過熱和斷裂，而后者則可能造成汽車電池損壞、消耗大量電力，甚至?xí)l(fā)爆炸等更嚴重的事故。本案例對此的解決方案是在前端加入了一個專門的電源保護IC，使所有下游電路免受損壞。
由此我們不難看出，在ADAS（或者其他車載電子系統(tǒng)）的電源管理設(shè)計中，需要有更全面的視角，在滿足性能要求的同時，也要充分考慮小型化、可靠性、高效率安全等汽車應(yīng)用特有的約束條件，挑戰(zhàn)著實不小。而且所有這些都需要車規(guī)級元器件的支持，就使得開發(fā)者可用的資源受限，增加了物料選型和開發(fā)的難度。
四個ADAS電源管理“芯”方案
不過好消息是，伴隨著ADAS等應(yīng)用的發(fā)展，相應(yīng)的車規(guī)級“芯”方案也在不斷擴充和優(yōu)化。今天我們就為大家推薦幾款A(yù)nalog Devices出品的車規(guī)級電源管理IC，它們都針對ADAS等汽車應(yīng)用進行了優(yōu)化，可以讓你在應(yīng)對汽車電源管理設(shè)計挑戰(zhàn)時游刃有余。
MAX25255
同步降壓轉(zhuǎn)換器
MAX25255是一款符合AEC-Q100標準、集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的小型同步雙路降壓轉(zhuǎn)換器，可在3V至36V的寬輸入電壓范圍內(nèi)為每個通道提供高達8A的電流。該轉(zhuǎn)換器提供5V和3.3V兩種固定輸出電壓，并支持通過PGOOD信號監(jiān)測電壓質(zhì)量，因此非常適合于ADAS、車載音響主機等前端電源。
在效率方面，MAX25255可在輕負載條件下進入跳躍模式，空載時的靜態(tài)電流僅為12μA。該器件提供四個固定頻率選項（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），所需外部元件數(shù)量少，同時能夠減少紋波干擾。由于其采用擴頻技術(shù)避免了AM干擾，因此具有出色的EMI性能。
MAX25255中的兩個降壓轉(zhuǎn)換器可配置為雙相操作，使輸出負載能力達到16A，并聯(lián)使用時可實現(xiàn)高達32A輸出電流的四相操作，以支持更大電流的車載應(yīng)用，應(yīng)用擴展十分靈活。
MAX25255還集成有診斷和冗余電路，包括冗余基準電壓源、芯片溫度監(jiān)控器、精密過壓和欠壓保護等功能，能夠符合ASIL B等級功能安全的要求。可以說，對于車載設(shè)備前端電源的各種設(shè)計需求，考慮得非常全面。
圖3：MAX25255同步降壓轉(zhuǎn)換器框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX20411
汽車單級降壓轉(zhuǎn)換器
在ADAS負載點和后端穩(wěn)壓方面，MAX20411汽車單級降壓轉(zhuǎn)換器憑借寬輸入/輸出電壓范圍以及大輸出電流等特性，提供了一個理想的解決方案。
該器件是一款高效、同步降壓型轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為3.0V至5.5V，可提供0.5V至1.275V輸出電壓，在整個負載、電源和溫度范圍內(nèi)的輸出誤差低至±0.75%，并可支持高達40A的峰值輸出電流。
MAX20411具有2.1MHz固定頻率PWM模式，可實現(xiàn)更好的抗噪性和負載瞬態(tài)響應(yīng)。較高的工作頻率允許其使用電容值較小的陶瓷電容，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的小型化。擴頻調(diào)制選項也有助于抑制電磁輻射，進一步優(yōu)化EMI特性。
相對于分立式方案，MAX20411集成的低RDS(ON)開關(guān)可大大提高重負載時的效率，并簡化電路布局。同時，由于MAX20411采用MAXQ??電源架構(gòu)，可提供精確的瞬態(tài)性能和相位裕量，可實現(xiàn)出色的功率、性能和精度，同時降低特定應(yīng)用的系統(tǒng)成本。
此外，MAX20411還具有冗余基準、BIST診斷、I2C上PEC等功能，確保其達到ASIL D功能安全標準的要求，±1%精度的可編程OV/UV、過熱和短路保護等功能也為其提供了可靠性保障。
圖4：MAX20411汽車單級降壓轉(zhuǎn)換器框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX2008x
攝像頭電源保護IC
MAX2008x系列是專為ADAS攝像頭電源保護而設(shè)計的高集成度解決方案。該系列產(chǎn)品是具有雙通道或四通道的電源保護IC，為每路輸出提供高達600mA負載電流，且每路輸出具有獨立的電池短路（STG）、對地短路（STB）和過流保護，十分有利于實現(xiàn)小型化的同軸電纜供電電源保護。
該器件工作在3V至5.5V電源電壓，帶有3V至15V攝像機電源，典型的輸入至輸出壓差僅為110mV（@ 300mA）。
MAX2008x系列提供使能控制和I2C接口，以讀取器件的診斷狀態(tài)，板載ADC讀取每個開關(guān)的電流。ASIL B和ASIL D兼容版本還可通過ADC讀取更多的診斷測量信息，以確保覆蓋高故障率事件，實現(xiàn)更高的安全性。
圖5：MAX2008x攝像頭電源保護IC框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX20480
汽車電源系統(tǒng)監(jiān)控器
MAX20480汽車電源系統(tǒng)監(jiān)控器是汽車電源滿足安全性要求的關(guān)鍵器件，具有高度集成、高精度和小型化的特性優(yōu)勢。
MAX20480具有多達7路電壓監(jiān)測輸入，每路輸入均具有2.5%至10%的可編程OV/UV門限，精度為±1%。其中兩路輸入具有獨立的遠端地檢測輸入，通過集成I2C接口支持DVS。
MAX20480包含可編程的靈活上電順序記錄器（FPSR），該記錄器獨立儲存上電和斷電時標，支持開/關(guān)和休眠/待機電源排序。該器件也包含可編程質(zhì)詢/應(yīng)答看門狗功能，可通過I2C接口訪問；此外還包括可編程低電平有效RESET輸出等功能。
MAX20480電壓監(jiān)控器只需1個外部元件，與獨立IC或分立式元件相比，在提高可靠性的同時大大降低了系統(tǒng)尺寸，簡化了BOM。與監(jiān)控控制器配合使用時，MAX20480滿足ASIL-D功能安全標準，適用于ADAS和車載遠端傳感器模塊等應(yīng)用。
圖6：MAX20480汽車電源系統(tǒng)監(jiān)控器框圖
（圖源：Analog Devices）
來源：貿(mào)澤電子
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