【導讀】您的第一輛汽車(chē)也許就像我的一樣，缺少攝像頭、雷達和激光雷達等傳感器模塊，而正是這些模塊使得現代高級駕駛輔助系統 (ADAS) 的安全特性（如盲點(diǎn)檢測、泊車(chē)輔助和防撞）成為可能。由于這些傳感器模塊收集的數據與乘客安全直接相關(guān)，因此確保它們始終正常工作非常重要。遺憾的是，一個(gè)常見(jiàn)的損壞原因就是長(cháng)時(shí)間過(guò)熱運行或暴露在潮濕環(huán)境中。
攝像頭、雷達和激光雷達中的精確溫度傳感器有助于延長(cháng)其壽命并增強安全性和可靠性。首先，我們來(lái)看看溫度對汽車(chē)攝像頭模塊的影響。
攝像頭
圖 1 顯示每輛汽車(chē)可能有多達六個(gè)攝像頭。這些攝像頭需要高動(dòng)態(tài)范圍和快速響應時(shí)間以及出色的弱光靈敏度。為了滿(mǎn)足這些要求，設計人員必須避免圖像傳感器在高溫下長(cháng)時(shí)間運行。
圖 1：現代汽車(chē)中的ADAS傳感器概覽
如圖 2 所示，汽車(chē)攝像頭通常是小型 (1.4in3) 封閉立方體，沒(méi)有主動(dòng)冷卻功能，因而非常容易積累熱量和快速升溫。圖像傳感器的額定工作溫度通常為 –40°C 至 125°C（結溫）和 –40°C 至 105°C（環(huán)境溫度）。如果達到這些范圍的上限或下限，電子控制單元 (ECU) 將不得不降低進(jìn)入圖像傳感器的功率或將傳感器完全關(guān)閉，直到溫度恢復到正常工作條件為止。因此，準確獲取攝像頭的溫度非常重要。
圖 2：小型汽車(chē)的攝像頭模塊
圖像傳感器通常采用嵌入式溫度傳感器，其誤差范圍為 ±6°C。這么大的誤差意味著(zhù) ECU 可能會(huì )通過(guò)提前或延后關(guān)閉來(lái)限制攝像頭的使用。這些錯誤計算可能會(huì )對圖像傳感器造成損壞，暫時(shí)限制 ADAS 功能，直到它得到維護為止。
解決方案是添加一個(gè)獨立的溫度傳感器，該傳感器可提供誤差小于 ±1°C 的準確溫度測量值。應用手冊“通過(guò)精確溫度傳感提高汽車(chē)和工業(yè)攝像頭的系統可靠性”對于為特定攝像頭拓撲選擇溫度傳感器有所幫助
雷達
毫米波 (mmWave) 傳感器的接收器 (RX) 靈敏度、增益、輸入噪聲甚至輸出發(fā)射器 (TX) 功率都可能隨溫度而變化。在圖3中，主機處理器嘗試通過(guò)在運行期間定期調整電路配置，來(lái)減輕溫度變化帶來(lái)的影響，以使 RX 增益和 TX 功率盡量接近所配置的設置水平。
圖 3：RX 增益 (a) 和 TX 功率 (b) 隨溫度的變化
之所以需要高精度溫度測量，是因為要盡可能在更大限度地提高雷達性能和防止因高溫而產(chǎn)生熱損壞之間取得平衡。為了達到這種平衡，雷達傳感器必須在溫度限值附近工作，同時(shí)能夠在盡可能接近限值時(shí)可靠地關(guān)閉。實(shí)現這一點(diǎn)可能很難，因為：
OEM開(kāi)始要求更高的環(huán)境溫度。
為了降低成本，制造商開(kāi)始使用塑料模塊外殼而不是金屬外殼。金屬是更好的導熱體，通常用作散熱器以散發(fā)模塊內部產(chǎn)生的熱量。
雷達芯片功耗高，會(huì )造成自發(fā)熱。
雷達芯片上的嵌入式溫度傳感器誤差范圍最高可達到 ±7°C，這限制了雷達芯片的性能。由于此誤差，穩妥起見(jiàn)，您必須在距離工作限值 ±7°C 時(shí)關(guān)斷以防止損壞。
如今，設計人員的目標是讓雷達芯片內部裸片溫度的溫度精度達到 ±1°C。為此，您可以使用兩個(gè)獨立的溫度傳感器測量溫差，或者使用雷達芯片下方的超薄溫度傳感器，例如 TMP114。要了解更多有關(guān)實(shí)施溫差測量的信息，請閱讀應用手冊“使用溫差測量進(jìn)行元件溫度監測”。
有關(guān)元件下溫度監測的更多詳細信息，請閱讀應用手冊“使用超小型溫度傳感器進(jìn)行元件下監測”。
激光雷達
如圖 4 所示，激光雷達傳感器可以捕獲短距離、中距離和遠距離數據，提供深入的點(diǎn)云，作為實(shí)現 ADAS 功能安全性的關(guān)鍵元件。激光雷達包含激光陣列、飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器和控制器，所有這些都需要進(jìn)行溫度補償以保持其性能。溫度變化會(huì )影響激光雷達距離測量，并且在 70°C 以上時(shí)，激光陣列的性能可能會(huì )下降。ToF 傳感器具有高功耗，這會(huì )導致自發(fā)熱，并且在 105°C 左右控制器往往需要降低其時(shí)鐘頻率或完全關(guān)閉以防止熱失控。
圖 4：汽車(chē)激光雷達范圍
激光雷達系統的一個(gè)重要設計考慮因素是目標汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL)。應用手冊“使用遠程溫度傳感器滿(mǎn)足激光雷達系統的 ASIL 要求”提供了一些快速實(shí)現冗余和多樣化溫度傳感器的想法
激光雷達和攝像頭模塊都有可能會(huì )破裂的透鏡，因此可能會(huì )因潮濕而損壞內部的光學(xué)元件。汽車(chē)級濕度傳感器（如 HDC3020-Q1）可測量相對濕度和溫度。它可以檢測水分（這可能表示發(fā)生泄漏）并計算何時(shí)超過(guò)露點(diǎn)（這會(huì )導致透鏡上出現冷凝），從而允許系統通知用戶(hù)采取糾正措施。
如何選擇溫度傳感器
在評估您的下一個(gè)溫度傳感器時(shí)，請考慮其最大精度、是否需要警報或其他功能以及您的通信渠道。例如，如果沒(méi)有任何可用的 ADC 通道（通常存在于環(huán)視和低端駕駛員監控攝像頭中），那么您可以將數字溫度傳感器連接到 FPD-Link 串行器的 I2C 或 SPI 通道。如果您只是想要具有遲滯功能的閾值警報，則可以使用連接到通用輸入/輸出的溫度開(kāi)關(guān)。當您確實(shí)有可用的 ADC 通道時(shí)，模擬溫度傳感器的輸出電壓與溫度成正比，而不會(huì )像分立熱敏電阻解決方案那樣受外部元件容差的影響。如果您確實(shí)需要熱敏電阻，可以考慮硅基線(xiàn)性熱敏電阻，它可以解決負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻存在的精度和可靠性問(wèn)題，同時(shí)保持其低成本和小尺寸的優(yōu)勢。
結語(yǔ)
高度敏感的光學(xué)需要準確診斷以便長(cháng)時(shí)間保持卓越性能，這一點(diǎn)和射頻 ADAS 模塊非常類(lèi)似。這樣便需要采用精確的外部溫度傳感器，這是 ADAS 模塊的必要構建塊，正在迅速成為未來(lái)的安全關(guān)鍵型系統。
關(guān)于德州儀器(TI)
德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷(xiāo)售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設備和企業(yè)系統等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實(shí)用，創(chuàng )造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng )新都建立在上一代創(chuàng )新的基礎之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現半導體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數十年來(lái)乃至現在一直在做的事。 欲了解更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。
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