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自動駕駛汽車的電源系統(tǒng)能勝任嗎?

analog_devices ? 來源:楊湘祁 ? 作者:電子發(fā)燒友 ? 2019-03-11 09:24 ? 次閱讀
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自動駕駛汽車,它們不需要一個人類駕駛員坐在方向盤后面(當然,也許會有一個,但并不是從傳統(tǒng)的角度實際使用操控機制)。與之相反,相當于人類駕駛員的微型計算 機主機運行大量的計算機代碼,與車輛內外各種不同的傳感器陣列相連。它們連接至云,并可以完全實時模擬車輛周圍的外 部環(huán)境,從而根據(jù)當前四周的交通情況預期需要采取的行動。 無論氣候、環(huán)境和交通條件的范圍和狀況如何,這些操作都會 正常執(zhí)行。

不幸的是,最近在亞利桑那州發(fā)生了一起自動駕駛路測車撞死 騎車人的事故。據(jù)當?shù)鼐奖硎荆T車人當時正在人行道以外的地方穿越馬路。雖然自行車位于事故現(xiàn)場,但警方并不認為事故發(fā)生時,受害者正騎著自行車。受害者被緊急送往附近的醫(yī)院,并在抵達醫(yī)院后不久被宣布死亡。

事發(fā)時,在自動駕駛SUV的方向盤后有一個人,但是那個人并沒有實際操控車輛。據(jù)當?shù)毓賳T介紹,事發(fā)時車內沒有其他乘 客。值得注意的是,亞利桑那州是美國為數(shù)不多的州,認定自 動駕駛汽車的駕駛座不需要有人以便必要時接管車輛操控為合法的。然而,這類事故無法增加公眾對無人駕駛汽車的自動駕駛能力的信心。

自動駕駛車輛時間表

毫無疑問,盡管自動駕駛汽車在發(fā)展過程上會遭遇一些挫折, 它仍在逐步向我們走近。因此,有一些問題值得思考:我們什 么時候真正步入自動駕駛,還需要多久?

根據(jù)汽車行業(yè)的分析,自動駕駛的變遷路徑有兩種標準術語: 一種是演進式的,正如當前許多汽車正在逐步推進(類似于特 斯拉的自動駕駛功能);另一種是革命性的,即全自動駕駛汽 車(如谷歌正在研制的)。在我看來,單靠哪種路徑取得成功 仍不明朗,但更有可能的結果是兩者共生融合。

那么,未來幾年會如何發(fā)展?以我從一些關鍵行業(yè)的專家那里 獲得的相關信息來看,下列領域將進一步發(fā)展:

更多高級駕駛員輔助功能,可實現(xiàn)與導航和GPS系統(tǒng)同步。

類似谷歌這樣的公司將收集和積累有關自動駕駛汽車可能 遇到的每一種情況的數(shù)據(jù)。

測繪公司將需要加強主要城市的3D測繪數(shù)據(jù)支持。

汽車制造商和高科技汽車系統(tǒng)供應商需要彼此緊密合作, 以確保光檢測器、激光雷達、雷達傳感器、GPS和攝像頭協(xié) 同工作。

整合了上述功能的汽車必須在所有地形和氣候條件下進行 測試。

展望未來,到2020年,配備了上述半自動功能的汽車應當可以 自主駕駛以通過交叉路口、交通信號燈和停車讓行等交通條件。 盡管如此,這些高度自主的車輛在緊急情況下仍然需要一個人 類駕駛員坐在前面。預計到2024年,這些半自主駕駛汽車將能 夠在更加嚴苛的條件(如惡劣天氣和夜間)下正常行駛。到那 時,Lyft打車服務提供商也許可以開始使用這類汽車,而無需 任何司機。當然,汽車制造商需要確保其汽車能夠理解來自路 人的信號,如在過馬路時候招手。所有這些發(fā)展必然要求汽車 制造商在其車輛上搭載許多自主功能,這樣才有可能實現(xiàn)全自 動駕駛汽車在2030年代中期順利上路。

當然,實現(xiàn)這一時間表所需的所有發(fā)展進步將為IC半導體行業(yè) 創(chuàng)造大好良機,因為將其付諸實現(xiàn)將要求許多系統(tǒng)增加大量的 硅技術內容。這些硅技術內容將由數(shù)字和模擬集成電路(IC)組成。

模擬IC

全自動駕駛汽車顯然將配備眾多由不同的數(shù)字和模擬IC組成的 電子系統(tǒng)。它們將包括高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動駕駛 計算機、自動停車輔助、盲區(qū)監(jiān)測、智能巡航控制、夜間視覺、 激光雷達等,不勝枚舉。所有這些系統(tǒng)都需要多種不同的電壓 軌和電流電平,以確保其正常工作。它們可以直接從汽車電池 和/或交流發(fā)電機供電,在某些情況下,也可以從經(jīng)由這些電壓 軌進行了后級調節(jié)的電源軌供電。后者通常發(fā)生在VLSI數(shù)字IC (如FPG和GPU)的內核電壓情況下,此時可能需要小于1 V的工 作電壓而電流為幾到幾十安培。

系統(tǒng)設計人員必須確保ADAS符合車內各種抗噪標準。在汽車環(huán) 境中,開關穩(wěn)壓器正在取代那些在低散熱和高效率很重要的區(qū) 域中的線性穩(wěn)壓器。而且,開關穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上 的第一個有源部件,因此對整個轉換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發(fā)射有兩類:傳導和輻射。傳導發(fā)射通過電線和走線連接到 產品。由于該噪聲局限于設計中的特定端子連接器,因此如 上所述,在早期開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設計,通 常可以相對容易地保證符合傳導輻射要求。

不過,輻射發(fā)射完全是另一回事。電路板上任何承載電流的東 西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線,每 個銅層都是一個諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外,任何 其他東西都會在整個信號頻譜上產生噪聲。即使精心設計,在 系統(tǒng)進行測試之前,電源設計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會 有多糟糕,而輻射發(fā)射測試只有在設計基本完成之后才能正式 進行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強度, 從而降低EMI。通過空間傳播(輻射)的這部分能量可通過添加 金屬和磁屏蔽來衰減。位于PCB走線(傳導)的能量部分可通過 添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來抑制。EMI無法消除,但可以衰 減到其他通信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外,多家監(jiān)管機 構通過實施相關標準來確保合規(guī)。

具有低EMI/EMC輻射的高壓轉換器解決方案

鑒于本文所述的應用限制,ADI公司Power by Linear?部門開發(fā)出 LT8650S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻射的同步 降壓轉換器。該器件3 V至42 V輸入電壓范圍使其成為汽車應用 (包括ADAS)的理想選擇,因為汽車應用必須勝任冷啟動和啟停 場景下的調節(jié),最低輸入電壓低至3 V,電源切斷瞬變超過40 V。 如圖1所示,該器件采用雙通道設計,由兩個高壓4 A通道組成, 提供低至0.8 V的輸出電壓,從而可以驅動目前市場上電壓最低 的微處理器內核。開關頻率為2 MHz時,其同步整流拓撲可實現(xiàn) 高達94.4%的效率,而在空載待機條件下,突發(fā)工作模式(Burst Mode?)保持靜態(tài)電流低于6.2 μA(兩個通道都打開),因此非常 適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

圖1. 2 MHz時提供5 V、4 A和3.3 V、4 A輸出的LT8650S簡化原理圖。

LT8650S的開關頻率可以在300 kHz到3 MHz范圍內進行編程,并 且在整個頻率范圍內都支持同步。低至40 ns的最短導通時間可 在開關頻率為2 MHz時,在高壓通道上實現(xiàn)16 VIN到2.0 VOUT的降壓 轉換。其獨特的Silent Switcher? 2架構使用兩個內部輸入電容以 及內部BST和INTVCC電容,以將熱環(huán)路面積減至最小。結合嚴格 受控的開關邊沿和集成接地層的內部結構,并用銅柱代替鍵合 線,LT8650S的設計大大降低了EMI/EMC輻射。

圖2顯示了輸出輻 射的特性。改進的EMI/EMC性能對電路板布局不敏感,即使使 用2層PCB時也是如此,從而可以簡化設計并降低風險。在整個 負載范圍內,開關頻率為2 MHz時,LT8650S可以輕松符合汽車 CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一步降 低EMI水平。

LT8650S內置上下高功率開關,并將必要的升壓二極管、振蕩 器、控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)工作模 式可在低輸出電流下保持高效率,同時使輸出紋波低于10 mV p-p。最后,LT8650S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm IC引腳 LGA封裝。

同樣的,對于需要比LT8650S提供的輸入范圍更寬的應用,我們 還開發(fā)了LT8645S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻 射的同步降壓轉換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V,因而既 適合汽車應用,也適合卡車應用,這些應用必須勝任冷啟動和 啟停場景下的調節(jié),最低輸入電壓低至3.4 V,電源切斷瞬變超 過60 V。如圖3所示,該器件采用單通道設計,提供5 V、8 A輸 出。開關頻率為2 MHz時,其同步整流拓撲可實現(xiàn)高達94%的效 率,而在空載待機條件下,突發(fā)工作模式保持靜態(tài)電流低于2.5 μA,因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

LT8645S的開關頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內進行編程,并 且在整個頻率范圍內都支持同步。其獨特的Silent Switcher 2架 構使用兩個內部輸入電容以及內部BST和INTVCC電容,以將熱環(huán) 路面積減至最小。結合嚴格受控的開關邊沿和集成接地層的內 部結構,并用銅柱代替鍵合線,LT8645S的設計大大降低了EMI/ EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改進的EMI/EMC性能對 電路板布局不敏感,即使使用2層PCB時也是如此,從而可以簡 化設計并降低風險。在整個負載范圍內,LT8645S可以輕松符合 汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一 步降低EMI水平。

LT8645S內置上下高功率開關,并將必要的升壓二極管、振蕩 器、控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)工作模式 可在低輸出電流下保持高效率,同時使輸出紋波低于10 mV p-p。 最后,LT8645S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm IC 32引腳LQFN 封裝。

自動駕駛汽車(和卡車)所需的汽車電子系統(tǒng)當前和未來都 在不斷發(fā)展普及。當然,電壓和電流電平會改變。然而,對低 EMI/EMC輻射的要求不會改變——即使在惡劣的工作環(huán)境中也是 如此。值得慶幸的是,ADI公司Power by Linear產品線提供越來越 多的解決方案,以幫助系統(tǒng)設計人員應對現(xiàn)在、將來、直至遠 及2030年代中期的挑戰(zhàn)。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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