得益於高級駕駛輔助系統(ADAS)，汽車駕駛正在變得越來越安全。這些系統中的攝影機與感測器、成熟演算法和微處理器相結合，可以在發現道路上的障礙物時提醒駕駛員、必要時幫助煞車、指示盲區等。為確保正確工作，ADAS應用要求供電電源符合特定精度以及負載瞬態回應的要求。本文探討確保汽車電池電壓正確調節所需的條件，以便為惡劣環境下的ADAS攝影機、感測器和處理器有效地供電。
ADAS等應用正在推動車載處理能力不斷提升，以運行先進的演算法來引導駕駛員更加安全的行駛。當然，隨著處理能力越來越強大，為了符合系統效能目標，就需要對電源進行更好的管理。然而，鑒於汽車噪雜的工作環境、多個電子子系統，功率限制條件下的綜合平衡電源需求就面臨嚴峻的挑戰。
在ADAS模組、資訊娛樂無線音響單元和智慧型儀表板等快速增長領域，許多汽車工程師透過多個電源軌為各個部件供電，通常具有特定的電壓調節精度要求。為滿足這些嚴格的系統要求，能夠提供高精度、高靈活性和小尺寸的汽車電源管理方案就至關重要。熱限制、電磁干擾(EMI)和散熱也是需要解決的關鍵因素。
滿足汽車子系統電氣/電源需求
管理汽車子系統的電氣和電源事項需要巧妙的綜合平衡。處理器、記憶體、螢幕及其他部件都需要不同電流水準的穩定電壓。所以穩壓器就必須足以提供這些關鍵電路所需的電源，同時不產生太多的熱量。如果需要多個電源軌，就會有更多電壓和電流尖峰需要管理，事情就會變得非常複雜。汽車中特定的電壓軌都要求特定的電壓精度。例如，為了保證效能，系統單晶片(SoC)核心通常具有特定的電壓容限。如果電壓超出指標範圍，就無法保證處理器效能。鑒於ADAS應用的安全特性，這顯然是不可接受的。
接下來，汽車的電氣和熱環境也對此存在影響。汽車中直流電源軌的雜訊較大。當汽車在不同的溫度環境下啟動時，例如冷開機、暖開機或拋負載等情況，會存在較大、突然的壓降。此類負載瞬態基本上發生在處理器突然面臨需求增加以及消耗更大電流時。例如，處理器處於待機模式時的功耗只有峰值功耗的大約三分之一。當突然要求處理器執行動作時，消耗的電流可能達到滿荷狀態。在此情況下，開關模式電源的輸出電壓可能發生瞬間跌落，然後發生抖動，最後穩定在其目標電壓。處理此類負載瞬態回應的關鍵是採用設計良好的電源轉換器管理輸出電壓擺動，防止擺動超出指標範圍影響處理器效能。
EMI是工程師需要考慮的另一項挑戰。汽車具有大量來自內部和外部的射頻(RF)雜訊，由此導致的EMI可能會限制各種汽車子系統的效能。現在的汽車機身內部包含從汽車聯網系統到安全系統等大量電子子系統，這些子系統全部擠在非常狹小的空間內。在外部，從行動電話到發射塔等所有設備都會發射雜訊，這些雜訊可能會影響汽車效能(圖1)。汽車OEM必須確保電子系統不發射過大EMI，並且能夠承受來自於其他子系統的雜訊(國際無線電干擾特別委員會的CISPR 25標準對汽車內傳導和輻射發射做出了規定)。
圖1 Maxim的汽車PMIC經過傳導和輻射發射試驗，完全符合嚴格的CISPR 25第5級標準。
由於解決系統電源需求的選項有限，許多現有系統針對各個電壓軌分別採用分立式電源配置。例如，有些一流公司針對各個直流電源軌採用一組線性和開關DC-DC調節器。但這種方法要求具備專業的知識，仔細選擇正確的元件，以滿足各個電源軌的要求。如果組合不當，由於混頻原因，可能會發生EMI和干擾問題。有些人選擇在其設計中整合具有更大電容的元件，以抑制負載瞬態引起的電壓紋波，但具有較大電容的汽車級元件非常昂貴。至於EMI，用金屬外殼保護ADAS子系統免受輻射影響可能有效，但要綜合權衡由此增加的成本和重量。另一方面，事實證明擴頻調製能有效抑制EMI。
在滿足ADAS效能和電源要求的同時又要符合EMI標準，這就要求專業的汽車級電源管理積體電路(PMIC)。
汽車級PMIC需符合EMI標準
這些元件的高整合性可有效降低總體方案尺寸。擴頻振盪器的加入可減輕EMI的影響。在整個溫度和工作電壓範圍內具有高輸出精度，確保元件符合嚴格的SoC核心電壓要求。
目前市場上已有業者推出符合汽車安全完整性等級(ASIL)要求可確保功能安全性的相關產品，如Maxim汽車級PMIC可配合任意微處理器或微控制器工作，在滿足電源要求的同時也彌補了高效和小尺寸的需求。
攝影機、感測器、微處理器以及其他用於ADAS應用的底層元件在下一代汽車中將越來越普及，對精確管理供電電源的要求也會越來越嚴格。汽車級PMIC綜合平衡電源需求和功率約束，同時滿足小尺寸方案要求，對確保安全功能的正常工作發揮著重要作用。
(本文作者皆任職於Maxim汽車事業部)