满足无干扰的ADAS供电电路设计:只需一颗DC/DC

2019年07月15日 作者:Teardown

随着高级辅助驾驶系统 (ADAS) 和车内信息娱乐系统的普及,车辆俨然变成了车轮上的复杂电子系统,其中需要多电平、无噪声的 DC 电源轨。然而,典型的车辆电池在其工作环境中很难达到稳定状态,这就要求设计人员密切关注电源系统设计。

ADAS 系统的范围包括自适应巡航控制、防撞功能、GPS、备用摄像头、车道偏离提醒、稳定性控制以及连接能力,而信息娱乐系统包括显示屏和多媒体播放器。通过汽车的 12 V 电池(某些情况下甚至是 24 V 或 48 V)为这些功能调节 DC 电源,其难度非常大,原因包括:电池输出噪声、电压尖峰、负载突降瞬变、极端温度及循环、经由狭窄高温位置中的电子元器件、不得不承受振动和冲击等。

此外,DC/DC 转换器 IC 可用于调节电池输出以提供各种 ADAS 功能所需的多个 DC 电源轨,其必须在恶劣的电气和环境条件下工作。这类转换器还必须以高效率、低静态电流和最小 EMI 提供精密调节。

本文将说明工作环境和条件,并介绍为帮助缓解相关问题而开发的汽车标准。然后,本文将描述有助于满足汽车配电要求的电源稳压器和 DC/DC 转换器及其用法。

引擎盖下的问题

对于电子元器件(和机械部件)而言,汽车是一个颇具挑战性的恶劣环境,具体表现在四个方面:电气、热、冲击/振动和可用空间。下面予以简要说明:

电气:来自电池的未经调节的电源轨不是简单且稳定的 DC 电流源,大多数电池都是如此;相反,它会受到冷起动电压下降(图 1)、“负载突降”(当连接到交流发电机的负载突然断开时)引起的高压浪涌(图 2 和表 1)以及噪声和 EMI/RFI 的影响。

图 1:冷起动条件下的典型电池电压曲线与更良性应用中的电池输出曲线几乎没有相似之处。

图 2:典型负载突降脉冲的特点是快速上升、缓慢下降、时序可变。

表 1:12 V 和 24 V 电池系统的未抑制负载突降脉冲

因此,本地 DC/DC 稳压器必须处理这些实际情况,在宽输入电压 (VIN) 范围内工作,并且容许电池反极性连接。此外,这些稳压器的静态电流必须非常低,以便在汽车理应“停止运行”时最大限度地减少电池消耗。

原因是很多 ADAS(及其他)功能并没有与电池物理断开,而是使用“软”开/关,因此在“停止运行”时实际上处于静态。整体来说,如果汽车数周未使用,这些功能消耗的所谓“吸血鬼功率”可能会耗尽电池。

热:根据工作条件和探头位置,引擎盖下温度的范围可从零下(冬季停车时)跨度到 150°C 至 200°C 以上(图 3)。虽然汽车的其他区域(如驾驶室)不会变得这么热,但如果汽车停在阳光下,这些区域仍有可能经受相当高的温度。当车外温度在 25°C (77°F) 至 40°C (104°F) 之间时,在直射阳光下停放的汽车内部温度可能攀升到 50°C (122°F) 至 75°C (167°F) 之间。

冲击/振动:机械冲击和振动始终会存在;基本机械分析表明,越小越轻的元器件越不容易受到这些干扰的影响,缓冲和防震(如需要)也越简单。再者,此类元器件所需的电路板会更小,这也有相应的优势。

尺寸:小尺寸还有一个与冲击/振动无关的主要优势。由于汽车有外壳这样的固定物理“封装”,很难找到合适的地方来放置 ADAS 功能电路(很多情况下还有相关传感器)。虽然某些电路可以位于几乎任何空位,但许多 ADAS 传感器和前端信号调节电路需要位于特定位置,即便支持电子设备可以位于其他地方。

汽车标准定义挑战

汽车动力来源主要有三个:电力 (EV),混合动力 (HEV),当然还有内燃机。其尺寸、样式、能力和成本点也各不相同。业界已经为电子元器件、软件及子系统的风险和性能级别制定了标准。通过认证不同级别的基本集成电路 (IC),设计人员便知道其所获得的构件可用于“构建”具有明确性能的电路板、组件、子系统和完整的功能。

关于这种性能定义能力的主要标准是汽车安全完整性等级 (ASIL) 方案,它是一种由 ISO 26262(公路车辆功能安全标准)定义的多级风险分类方法。最高等级是 ASIL-D,代表最高程度的汽车危险,因此需要最高程度地确保满足安全要求(图 4)。按降序排列在最高等级 ASIL-D 之后的是 -C、-B 和 -A 等级,它们定义了中等程度的危险和所需的保证,最后是 ASIL QM,其针对没有汽车危险的应用,因此也就无需管理任何安全要求(例如无线电)。

针对设计用于 ADAS 功能的元器件(包括 DC/DC 稳压器),其供应商会测试并证明元器件满足和超过特定等级的 ASIL 性能要求,包括但不限于温度、振动和故障模式方面的要求。

另一个相关标准是 AEC-Q100,其中包含由汽车电子委员会 (AEC) 制定的一套 IC 认证测试序列。它为新产品和升级产品的零件认证和质量体系设定了标准。AEC-Q100 还建立了温度等级,针对元器件有明确的等级划分,其中等级 0 的范围最宽(表 2)。

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