【導讀】安全性和功能性是汽車(chē)技術(shù)演進(jìn)的兩個(gè)主要目標。前者是人們對汽車(chē)作為交通工具的核心訴求，以盡可能杜絕由汽車(chē)系統故障或人為因素所造成的事故；后者則是要不斷擴展汽車(chē)產(chǎn)品的外延，帶來(lái)更佳的用戶(hù)體驗。
沿著(zhù)這樣設計思路，越來(lái)越多的汽車(chē)電子系統正在被開(kāi)發(fā)出來(lái)，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（ADAS）。
通過(guò)使用傳感器（包括攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等）感知周?chē)沫h(huán)境，并基于功能強大的實(shí)時(shí)數據處理和計算能力進(jìn)行分析和決策，今天的ADAS系統正在不斷提升自身的智能化水平，實(shí)現自動(dòng)緊急停車(chē)、盲點(diǎn)監測、車(chē)輛/行人報警和避讓、車(chē)道偏離報警和輔助等功能，以緩解駕駛員的負擔，減少人為操作錯誤，提升整體的行車(chē)安全。而且通過(guò)整合高速通信功能，ADAS系統也在與導航定位、V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng)等車(chē)載遠程信息系統相融合，匯聚更多的信息和數據，向終極的全自動(dòng)駕駛邁進(jìn)。
ADAS電源管理設計的挑戰
顯而易見(jiàn)，這樣的ADAS系統——而且是功能在不斷擴展的系統——會(huì )給車(chē)載電源管理系統的設計帶來(lái)不小的挑戰。
首先，各種功能的集成，意味著(zhù)要消耗更多的電能，因此電源管理系統需要具有大電流、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據處理和計算能力的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(chē)載電源系統通常需要經(jīng)過(guò)兩級電壓轉換——先從12V電池電源（或者是48V系統）轉換為一個(gè)可輸出較高電流（10A或更高）的中間電源軌，再由此在負載點(diǎn)附近轉換為SoC內核、接口、外設等所需的各種低電壓軌。這樣的電源管理系統架構更為復雜，需要考量的技術(shù)細節也會(huì )更多。
其次，實(shí)現更復雜的架構、支持更大的電流，勢必會(huì )增加電源管理系統的尺寸，而在有限的汽車(chē)空間內，這會(huì )與小型化的設計要求形成矛盾。比如，為了減小駕駛的視覺(jué)盲區，ADAS系統中需要集成越來(lái)越多的攝像頭，而攝像頭模塊PCB上留給電源系統的空間并不大，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(chē)載電源管理系統的應用環(huán)境更為復雜，而對于可靠性的要求卻更高。要知道，無(wú)論是傳統汽車(chē)中由內燃發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的交流發(fā)電機供電，還是電動(dòng)汽車(chē)中由動(dòng)力電池供電，它們都算不上是“穩定”的電源，總是會(huì )受到汽車(chē)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(dòng)、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設計時(shí)，必須要從器件級和系統級通盤(pán)考慮相應的電路保護策略，防范這些風(fēng)險因素，以確保汽車(chē)電源穩定可靠、無(wú)故障地運行。
再有，車(chē)載電源還面臨著(zhù)EMC設計方面的挑戰。在汽車(chē)中廣泛使用的開(kāi)關(guān)穩壓器，本身就容易在開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中產(chǎn)生噪聲，形成EMI干擾。隨著(zhù)器件開(kāi)關(guān)頻率的增加，EMI的影響會(huì )更突出。所以，能否降低EMI噪聲，滿(mǎn)足相關(guān)測試規范的要求，也是衡量電源管理器件性能和系統設計優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
此外，汽車(chē)電源系統的設計還必須要滿(mǎn)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、冗余設計，以及各種故障保護和診斷功能等。其中一個(gè)例子就是汽車(chē)電源系統中電壓監控器的使用，其作用是當電源高于或低于用戶(hù)定義的閾值時(shí)發(fā)出復位信號，以降低系統發(fā)生故障的概率。這些功能在其他非車(chē)規應用中可能不是必需的，但在汽車(chē)電源管理系統中是不可或缺的存在。
圖1：汽車(chē)中的典型電氣系統
（圖源：Analog Devices）
ADAS電源管理設計的挑戰
下面我們可以通過(guò)一個(gè)具體的案例，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明在現實(shí)的汽車(chē)電源管理路徑設計中，該如何綜合考慮上述這些技術(shù)要求，實(shí)現一個(gè)理想的解決方案。
圖2是一個(gè)典型的ADAS遠程攝像頭的電源管理系統電路圖。電能從汽車(chē)電池輸出后，先經(jīng)過(guò)前端的初級降壓-升壓轉換器，再通過(guò)保護IC、交流阻斷線(xiàn)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(gè)攝像頭模塊上，需要由兩個(gè)降壓轉換器進(jìn)行次級電壓轉換，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(gè)應用場(chǎng)景中，需要從三個(gè)方面來(lái)綜合考慮以實(shí)現安全的電源管理路徑設計：
前端電源
就是將發(fā)電機或電池輸出的電壓，轉換為一個(gè)中間電源軌。不過(guò)如上文所述，現實(shí)應用環(huán)境中，發(fā)電機或車(chē)載電池所提供的電源電壓是很不穩定的，受到發(fā)動(dòng)機啟/停、冷啟動(dòng)等環(huán)境因素的影響，會(huì )在幾伏到十幾伏很寬的范圍內波動(dòng)。因此前端電源設計面臨的一個(gè)很大的挑戰就是：要能夠支持非常寬的輸入電壓范圍，并將其轉換和調節為高度穩定的中間電源軌輸出，還要滿(mǎn)足高效率、大電流等性能要求，同時(shí)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(jìn)行次級轉換和穩壓調節。除了滿(mǎn)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計中十分關(guān)鍵的要素。以這個(gè)ADAS遠程攝像頭應用為例，在集成多攝像頭的環(huán)視系統中，需要在狹小的空間內同時(shí)支持多路電源的高效轉換，這時(shí)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控元器件，實(shí)現安全和保護都是汽車(chē)電源管理系統設計中必不可少的一環(huán)。圖2的應用場(chǎng)景中，在長(cháng)同軸電纜上傳輸電力和數據，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(méi)有相應的保護措施，前者會(huì )由于電力被直接導入大地而導致過(guò)熱和斷裂，而后者則可能造成汽車(chē)電池損壞、消耗大量電力，甚至會(huì )引發(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(gè)專(zhuān)門(mén)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A(yíng)DAS（或者其他車(chē)載電子系統）的電源管理設計中，需要有更全面的視角，在滿(mǎn)足性能要求的同時(shí)，也要充分考慮小型化、可靠性、高效率安全等汽車(chē)應用特有的約束條件，挑戰著(zhù)實(shí)不小。而且所有這些都需要車(chē)規級元器件的支持，就使得開(kāi)發(fā)者可用的資源受限，增加了物料選型和開(kāi)發(fā)的難度。
四個(gè)ADAS電源管理“芯”方案
不過(guò)好消息是，伴隨著(zhù)ADAS等應用的發(fā)展，相應的車(chē)規級“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Analog Devices出品的車(chē)規級電源管理IC，它們都針對ADAS等汽車(chē)應用進(jìn)行了優(yōu)化，可以讓你在應對汽車(chē)電源管理設計挑戰時(shí)游刃有余。
MAX25255
同步降壓轉換器
MAX25255是一款符合AEC-Q100標準、集成了高側和低側開(kāi)關(guān)的小型同步雙路降壓轉換器，可在3V至36V的寬輸入電壓范圍內為每個(gè)通道提供高達8A的電流。該轉換器提供5V和3.3V兩種固定輸出電壓，并支持通過(guò)PGOOD信號監測電壓質(zhì)量，因此非常適合于A(yíng)DAS、車(chē)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(jìn)入跳躍模式，空載時(shí)的靜態(tài)電流僅為12μA。該器件提供四個(gè)固定頻率選項（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），所需外部元件數量少，同時(shí)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(gè)降壓轉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(shí)可實(shí)現高達32A輸出電流的四相操作，以支持更大電流的車(chē)載應用，應用擴展十分靈活。
MAX25255還集成有診斷和冗余電路，包括冗余基準電壓源、芯片溫度監控器、精密過(guò)壓和欠壓保護等功能，能夠符合ASIL B等級功能安全的要求?？梢哉f(shuō)，對于車(chē)載設備前端電源的各種設計需求，考慮得非常全面。
圖3：MAX25255同步降壓轉換器框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX20411
汽車(chē)單級降壓轉換器
在A(yíng)DAS負載點(diǎn)和后端穩壓方面，MAX20411汽車(chē)單級降壓轉換器憑借寬輸入/輸出電壓范圍以及大輸出電流等特性，提供了一個(gè)理想的解決方案。
該器件是一款高效、同步降壓型轉換器，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(gè)負載、電源和溫度范圍內的輸出誤差低至±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(shí)現更好的抗噪性和負載瞬態(tài)響應。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(shí)現系統設計的小型化。擴頻調制選項也有助于抑制電磁輻射，進(jìn)一步優(yōu)化EMI特性。
相對于分立式方案，MAX20411集成的低RDS(ON)開(kāi)關(guān)可大大提高重負載時(shí)的效率，并簡(jiǎn)化電路布局。同時(shí)，由于MAX20411采用MAXQ??電源架構，可提供精確的瞬態(tài)性能和相位裕量，可實(shí)現出色的功率、性能和精度，同時(shí)降低特定應用的系統成本。
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O(píng)V/UV、過(guò)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(chē)單級降壓轉換器框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX2008x
攝像頭電源保護IC
MAX2008x系列是專(zhuān)為ADAS攝像頭電源保護而設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(guò)流保護，十分有利于實(shí)現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(gè)開(kāi)關(guān)的電流。ASIL B和ASIL D兼容版本還可通過(guò)ADC讀取更多的診斷測量信息，以確保覆蓋高故障率事件，實(shí)現更高的安全性。
圖5：MAX2008x攝像頭電源保護IC框圖
（圖源：Analog Devices）
MAX20480
汽車(chē)電源系統監控器
MAX20480汽車(chē)電源系統監控器是汽車(chē)電源滿(mǎn)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?xún)?yōu)勢。
MAX20480具有多達7路電壓監測輸入，每路輸入均具有2.5%至10%的可編程O(píng)V/UV門(mén)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(guò)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(shí)標，支持開(kāi)/關(guān)和休眠/待機電源排序。該器件也包含可編程質(zhì)詢(xún)/應答看門(mén)狗功能，可通過(guò)I2C接口訪(fǎng)問(wèn)；此外還包括可編程低電平有效RESET輸出等功能。
MAX20480電壓監控器只需1個(gè)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(shí)大大降低了系統尺寸，簡(jiǎn)化了BOM。與監控控制器配合使用時(shí)，MAX20480滿(mǎn)足ASIL-D功能安全標準，適用于A(yíng)DAS和車(chē)載遠端傳感器模塊等應用。
圖6：MAX20480汽車(chē)電源系統監控器框圖
（圖源：Analog Devices）
來(lái)源：貿澤電子
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