智能駕駛系統(tǒng)基礎(chǔ)電源樹(shù)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著汽車(chē)事故預(yù)防措施和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對(duì)支持高等級(jí)安全要求(ASIL)的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的需求也與日俱增。自動(dòng)駕駛是指由搭載于汽車(chē)中的單元代替駕駛員執(zhí)行人類(lèi)駕駛汽車(chē)的四個(gè)要素(通過(guò)耳朵和眼睛進(jìn)行“認(rèn)知”，通過(guò)大腦進(jìn)行“預(yù)測(cè)”和“判斷”，通過(guò)方向盤(pán)和油門(mén)進(jìn)行“操作”)的駕駛。要想實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)駕駛，需要準(zhǔn)確的感應(yīng)和及時(shí)的顯示和控制。因此，硬件中攝像頭和傳感器的使用數(shù)量呈增加趨勢(shì)，并且為了能夠準(zhǔn)確地告知情況，對(duì)信息娛樂(lè)系統(tǒng)也提出了多功能化要求。

在這種情況下，用于實(shí)現(xiàn)安全功能的單元還需要監(jiān)控內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，并注意因單元故障而導(dǎo)致的功能喪失情況。這也需要電子電路來(lái)監(jiān)控每個(gè)單元內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，這將使電子電路變得更復(fù)雜，使單元和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要投入的時(shí)間變得更長(zhǎng)。

本文即將詳細(xì)介紹的智能駕駛系統(tǒng)電源樹(shù)結(jié)構(gòu)。該電源樹(shù)的前端供電整體有整車(chē)電源電池進(jìn)行。考慮到智駕系統(tǒng)對(duì)電源的巨大消耗，通常情況下，該供電電源是采用的高壓大電池供電模式。當(dāng)然，在某些特殊情況下，也可以切換為小電池供電(比如對(duì)下電一定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)的哨兵模式，或者新能源車(chē)在行駛后期激活的長(zhǎng)續(xù)航模式)。另外，對(duì)于電源喚醒來(lái)說(shuō)，也有不同的喚醒方式(ACC檔直接通過(guò)IG ON上電打火，CAN網(wǎng)絡(luò)喚醒報(bào)文注入，亦或者其他考慮需要對(duì)單獨(dú)啟動(dòng)芯片喚醒工作的機(jī)制)。

市場(chǎng)所需的參考設(shè)計(jì)

隨著車(chē)載單元數(shù)量的增加以及必須通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn)的功能的增加，ADAS/信息娛樂(lè)系統(tǒng)外圍單元的電子電路需要進(jìn)行以下復(fù)雜的設(shè)計(jì)：

? 隨著攝像頭和傳感器數(shù)量的增加，需要安裝的電子元器件數(shù)量也在增加，需要供給的電源軌也變得越來(lái)越 復(fù)雜，因此需要在成本、尺寸和特性方面進(jìn)行優(yōu)化組合。

? 由于不能犧牲續(xù)航里程，因此就需要高效率的電源系統(tǒng)。

? 由于除了功能設(shè)計(jì)之外還存在其他設(shè)計(jì)元素(例如 CISPR25 Class5 的噪聲標(biāo)準(zhǔn))，因此不僅需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品 本身，還需要設(shè)計(jì)整個(gè)車(chē)載單元。

? 要改進(jìn)單元和系統(tǒng)的安全功能，就需要能夠監(jiān)控電源軌、檢測(cè)電子電路故(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)障并將相應(yīng)信息傳輸給 CPU 的 功能。

為了滿(mǎn)足此類(lèi)市場(chǎng)需求，ROHM 開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足單元設(shè)計(jì)所需設(shè)計(jì)元素的參考設(shè)計(jì)，并開(kāi)始公開(kāi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

整個(gè)上電管理流程涉及的初始DCDC降壓轉(zhuǎn)化，一般是對(duì)12V電池供電根據(jù)需求轉(zhuǎn)化為較低電壓，如5V、3.3V等電壓值供不同的芯片進(jìn)行使用。比如TDA4要求3.3V供電，其他芯片需要5V電壓供電，那么只需要在接上PMIC電源管理模塊初始變壓后，便可以直接通過(guò)電壓分配控制對(duì)智駕系統(tǒng)主體運(yùn)算芯片進(jìn)行供電。當(dāng)然也有一些芯片(如加解串器1.0V-1.8V、CAN收發(fā)器5V、以太網(wǎng)Switch1.0V-3.3V等)是需要在初始降壓配置后根據(jù)自身需求進(jìn)行二次變壓處理Post DCDC。此外，由于智駕系統(tǒng)啟動(dòng)和數(shù)據(jù)處理之間會(huì)有相互的依賴(lài)關(guān)系。通常情況是根據(jù)其處理數(shù)據(jù)源的不同，會(huì)考慮將中央運(yùn)算芯片SOC/MCU作為對(duì)其余芯片的控制使能端。比如，SOC如果用于對(duì)視覺(jué)感知輸入源的數(shù)據(jù)處理，那么就需要在SOC與加解串器以及與直連的攝像頭直接供電的Power Switch之間設(shè)置控制連接線(xiàn)(如IIC線(xiàn))作為使能線(xiàn)調(diào)節(jié)。此外，如果MCU作為毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理終端(做軌跡規(guī)劃)，其控制著對(duì)毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)的輸入和處理的中心任務(wù)，相應(yīng)的Can收發(fā)器的使能和電源控制可由智駕域控的MCU進(jìn)行直接控制也可以直接接入車(chē)輛常電。

整個(gè)電源樹(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行包含電壓反向設(shè)計(jì)Reverse Voltage、喚醒響應(yīng)設(shè)計(jì)WakeUp、穩(wěn)壓設(shè)計(jì)/變壓設(shè)計(jì)(DCDC、LDO、PMIC)、電源交換機(jī)設(shè)計(jì)Power Switch等。如下羅列了幾種典型的芯片選型及相應(yīng)的特征參數(shù)說(shuō)明。

1)LDO(MPQ20051)：低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，可提供高達(dá)1A的電流和140mV的電壓。當(dāng)輸入電壓為2.5V到5.5V時(shí)，其相應(yīng)的調(diào)整輸出電壓范圍從0.8V到5V。內(nèi)部 PMOS 傳輸元件允許130uA 的低接地電流，使MPQ20051適用于電池供電設(shè)備。其他功能包括低功耗關(guān)斷、短路和熱保護(hù)。

2)DCDC(MAX20074ATBA/V+)：表示降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC。最低的汽車(chē)同步降壓控制器，在輕負(fù)載時(shí)僅使用3.5μA 的靜態(tài)電流。

3)DCDC(MPQ2166)：是一款內(nèi)部補(bǔ)償、雙路、PWM、同步、降壓穩(wěn)壓器，可在 2.7V 至 6V 輸入電壓下工作，并產(chǎn)生低至 0.6V 的輸出電壓。MPQ2166 可配置為 2A/2A 或 3A/1A 輸出電流調(diào)節(jié)器，由于靜態(tài)電流低至 60μA。MPQ2166 具有峰值電流模式控制和內(nèi)部補(bǔ)償，并且能夠進(jìn)行低壓差配置。兩個(gè)通道都可以100%占空比運(yùn)行，完整的保護(hù)功能包括逐周期電流限制和熱關(guān)斷。

4)PowerSwitch(MAX20086–MAX20089)：雙路/四路攝像頭電源保護(hù)器 IC 為其四個(gè)輸出通道中的每一個(gè)通道提供高達(dá) 600mA 的負(fù)載電流。

至于PMIC的芯片這里主要應(yīng)用了如下幾種，實(shí)現(xiàn)不同的電源管理控制。

5)PMIC(PF71)：這是專(zhuān)為高性能 i.MX 8 處理器設(shè)計(jì)的電源管理集成電路。它具有五個(gè)高效降壓轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器，用于為處理器、內(nèi)存和其他外圍設(shè)備供電。內(nèi)置一次性可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)關(guān)鍵的啟動(dòng)配置，大大減少了通常用于設(shè)置輸出電壓和外部穩(wěn)壓器順序的外部組件。穩(wěn)壓器參數(shù)可在啟動(dòng)后通過(guò)高速 I2C 進(jìn)行調(diào)整，為不同的系統(tǒng)狀態(tài)提供靈活性。

6)PMIC(TPS6594-Q1)：TPS6594-Q1 作為一種電源管理芯片 IC ，具有 5 個(gè) BUCK 和 4 個(gè) LDO，在行業(yè)內(nèi)特別適用于智駕安全相關(guān)汽車(chē)應(yīng)用。器件可提供四個(gè)具有3.5A 輸出的靈活多相可配置 BUCK 穩(wěn)壓器單相電流，以及一個(gè)額外的 BUCK 穩(wěn)壓器具有2 A輸出電流。每個(gè)輸出都單獨(dú)受到電池短路、接地短路和過(guò)流情況的保護(hù)。這些 IC 采用 3V 至 5.5V 電源和 3V 至 15V 相機(jī)電源供電，輸入至輸出壓降在300mA 時(shí)僅為 110mV(典型值)。

7)Primary DCDC(MAX20098)：汽車(chē)類(lèi)2.2MHz同步降壓控制器 IC，具有3.5μA IQ。該 IC 采用 3.5V 至 42V 的輸入電壓供電，并且可以在壓降條件下以 99% 的占空比運(yùn)行。這種方式適用于具有中高功率要求且在寬輸入電壓范圍的情況下運(yùn)行的應(yīng)用，例如在汽車(chē)?yán)鋯?dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)停止啟動(dòng)條件下提供必要的電壓。該IC還提供時(shí)間同步信號(hào) SYNC的輸出，使兩個(gè)控制器能夠并行運(yùn)行。FSYNC 輸入可編程性支持三種頻率模式來(lái)優(yōu)化性能：強(qiáng)制固定頻率操作、具有超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時(shí)鐘的同步。該 IC 用于頻率調(diào)制的可編程擴(kuò)頻選項(xiàng)時(shí)，可以最大限度地減少 EMI 干擾。