車載信息娛樂系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)（下）

概述

汽車車載信息娛樂系統(tǒng)，又稱車機(jī)，是基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。在上篇中，我們介紹了車機(jī)系統(tǒng)中一級電源和二級電源的性能要求，本文將專門介紹車機(jī)系統(tǒng)中的環(huán)視攝像頭電源和USB端口設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。

圖1所示的車機(jī)電源架構(gòu)中包含了攝像頭電源與USB充電的相關(guān)部分。

圖 1：攝像頭電源和 USB 充電應(yīng)用電源架構(gòu)

MPS 提供的解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員滿足環(huán)視攝像頭電源和 USB 充電應(yīng)用要求。

環(huán)視攝像頭電源解決方案

將環(huán)視攝像頭的圖像處理集成到車機(jī)的主處理器是當(dāng)下車機(jī)發(fā)展的新需求。如圖2所示，環(huán)視攝像頭模組一般分布在車身四周，通過長距離同軸電纜將數(shù)據(jù)和電力傳輸?shù)轿挥隈{駛室中控的中央處理器（CPU）。

圖2: 環(huán)式攝像頭將數(shù)據(jù)傳輸給CPU

一般而言攝像頭內(nèi)部的模組供電低于5V，然而考慮到長距離的線路壓降或其他壓降原因（如Cold crank冷啟動），有些OEM會設(shè)定車機(jī)攝像頭的供電在8V-10V左右。這樣的供電要求對汽車電池而言頗具挑戰(zhàn)。

舉例來說，當(dāng)汽車在做“冷啟動”等測試時(shí)，電池電壓最低可能跌至5V。與此同時(shí)，正常工作范圍又需要支持最低9V的電壓。采用標(biāo)準(zhǔn)降壓DC/DC變換器難以使攝像頭電壓軌滿足此要求。而先降壓再升壓的兩級電源架構(gòu)盡管可用，但效率低，而且PCB占板面積大。

MPS公司的MPQ8873-AEC1產(chǎn)品此時(shí)脫穎而出。除了不增加復(fù)雜性，這款單片同步 DC/DC升降壓變換器還具有多項(xiàng)優(yōu)勢。

更高效的架構(gòu)

圖3對兩級電源架構(gòu)和高效一體化升降壓架構(gòu)進(jìn)行了比較。

圖3:電源架構(gòu)的比較

對于升壓（Boost）拓?fù)洌词雇ㄟ^EN關(guān)斷IC，其輸出電壓（VOUT）仍然等于輸入電壓（VIN)，除非串聯(lián)額外的開關(guān)，否則無法完全關(guān)斷后級負(fù)載。而采用MPQ8873-AEC1 這類單級升降壓（Buck-Boost）拓?fù)洌粌H效率高、布板面積小，其輸出供電通過使能EN也完全可控。

更簡單的布局

MPQ8873-AEC1 具有內(nèi)置4個(gè)MOSFET的Buck-Boost拓?fù)洌蓜討B(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓（如圖4所示）。

圖4: MPQ8873 的四個(gè)集成 MOSFET

相比傳統(tǒng)電路，其外圍電路極其簡單，除必要的濾波電感電容和自舉（BST）電容外，幾乎沒有其他元件。

更高的效率

MPQ8873-AEC1 內(nèi)部集成10mΩ/25mΩ 上管MOSFET（HS-FET）和下管MOSFET（LS-FET）。在VIN= 13.5V.V = 13.5V.VOUT = 11.5V 和負(fù)載電流 (I大聲) = 3A 的測試條件下，其效率超過95%（如圖5所示）。

圖5: MPQ8873效率曲線(VIN = 13.5V, VOUT = 11.5V, I大聲 = 3A)

更佳的EMI性能

MPQ8873-AEC1的布局能夠最小化輸入與輸出功率環(huán)路。該器件還支持頻率擴(kuò)展 (FSS)功能，從而可進(jìn)一步降低 EMI。圖 6 顯示了MPQ8873-AEC1的最小環(huán)路設(shè)計(jì)。

圖6: MPQ8873 的最小環(huán)路設(shè)計(jì)

全能的車機(jī)USB連接端口解決方案

車機(jī)內(nèi)的CPU通常會接收來自不同位置的多個(gè)USB的數(shù)據(jù)，其中有位于扶手箱的，也有來自前面板的。位于扶手箱內(nèi)的USB充電和數(shù)據(jù)端口，一般會在遠(yuǎn)端配備USB充電IC和HUB芯片，這些端口集束數(shù)據(jù)并發(fā)送給CPU（如圖7所示）。而位于前面板的USB端口會將USB充電功能集成在車機(jī)中，而這會對USB充電IC提出新的挑戰(zhàn)。

圖7: 數(shù)據(jù)從多個(gè)USB端口傳遞給CPU

MPS提供的單片降壓開關(guān)模式變換器MP4228-C-AEC1具備多種優(yōu)勢，可以解決 USB 充電 IC 面臨的難題。

更強(qiáng)的通用性

MP4228-C-AEC1 可以配置成USB-A或者USB-C。由于支持USB BC1.2 CDP協(xié)議，其充電口能夠在手機(jī)和汽車進(jìn)行USB輸出交互的同時(shí)，提供大約10-15W左右的充電功率。

圖8: MPQ4428-C 支持 USB-A、USB-C 和 CDC 協(xié)議

更細(xì)節(jié)的考量

由于車機(jī)和前面板USB充電端口有一段距離，再加上手機(jī)充電線纜本身也有一段長度，真正到達(dá)手機(jī)端口的電壓相比于車機(jī)的輸出電壓可能有較大的壓差。MP4228-C-AEC1具有線損補(bǔ)償功能，充電電流越大，MP4228-C-AEC1的輸出電壓越高。線損補(bǔ)償?shù)男甭士梢酝ㄟ^外置電阻設(shè)計(jì)，靈活方便。

更安全的防護(hù)

在汽車充電端口的實(shí)際使用中，有時(shí)候會出現(xiàn)手機(jī)充電線纜的接頭誤插入錯(cuò)誤端口的情況。MP4228-C-AEC1 具有VBUS/DM/DP/CC等I/O引腳的電池短路保護(hù)功能。這樣的保護(hù)功能可以避免上述事故對汽車充電IC造成損壞。

更完善的數(shù)據(jù)信號鏈傳輸

眼圖是評估USB2.0信號完整性的測試，MP4228-C-AEC1具有極其出色的眼圖性能（如圖9所示）。在USB2.0 DMDP數(shù)據(jù)經(jīng)過MP4228-C-AEC1內(nèi)部數(shù)據(jù)開關(guān)時(shí)，采用150cm的線纜，也能通過眼圖的測試。

圖9: MPQ4228-C通過眼圖測試

更優(yōu)異的EMI性能

MP4228-C-AEC1提供頻率擴(kuò)展（FSS）功能以提升EMI性能，其評估板能夠在不加屏蔽罩及共模電感的條件下，通過國標(biāo)等級5的測試。

圖10: MPQ4228-C優(yōu)異的EMI性能

全面的USB-IF認(rèn)證

MP4228-C-AEC1能夠通過USB-IF的相關(guān)認(rèn)證，尤其是其內(nèi)部獨(dú)有的過流保護(hù)（OCP）機(jī)制，能夠使器件通過Apple MFI R33認(rèn)證。在進(jìn)行過流瞬態(tài)脈沖測試時(shí)，即使發(fā)生短暫過流，MP4228-C-AEC1也能夠維持住VBUS 電壓而不至于關(guān)斷保護(hù)。

圖11: MPQ4228-C 在負(fù)載過流期間仍保持 VBUS

結(jié)論

本系列文章的上篇對車機(jī)的一級和二級電源進(jìn)行了介紹，本文則針對攝像頭電源和 USB 充電所面臨的需求難點(diǎn)提出了解決方案。其中，MPQ8873-AEC1 被用作環(huán)視攝像頭模塊的解決方案，而MP4228-C-AEC1被用于解決 USB 充電挑戰(zhàn)。MPS強(qiáng)大而靈活的產(chǎn)品組合能夠?yàn)楝F(xiàn)代車機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供眾多優(yōu)勢。

審核編輯：湯梓紅