我們準備好迎接自動駕駛汽車了嗎？這是我最近一直在問自己的問題，也許您也有同樣的疑問！當然，就我而言，自從我十幾歲的女兒開始學開車以來，我多少有點出於自身利益的考慮。在她上完第一節課後，我問她怎麼樣，她的回答讓我有點驚訝。看起來駕車本身並不怎麼讓她擔心，反而是她周圍的駕車者令她不安。她抱怨他們總是太靠近她的後保險桿，他們從來不使用轉向訊號燈，而且他們為了改變車道，會出其不意地在她車前切進來。這些抱怨很合理，以我自己在北加利福尼亞州道路上的經歷，我也是感同身受。
而這讓我想到了自動駕駛汽車，它們不需要一個人類駕駛員坐在方向盤後面(當然，也許會有一個，但並不是從傳統的角度實際使用操控機制)。與之相反的是，相當於人類駕駛員的微型電腦主機運行大量的電腦代碼，與車輛內外各種不同的感測器陣列相連。它們連接至雲端，並可以完全即時模擬車輛周圍的外部環境，而根據當前四周的交通情況預期需要採取的行動。無論氣候、環境和交通條件的範圍和狀況如何，這些操作都會正常執行。
不幸的是，最近在亞利桑那州發生了一起自動駕駛路測車撞死腳踏車騎士的事故。據當地警方表示，騎士當時正在人行道以外的地方穿越馬路。雖然自行車位於事故現場，但警方並不認為事故發生時，受害者正騎著自行車。受害者被緊急送往附近的醫院，並在抵達醫院後不久被宣布死亡。
事發時，在自動駕駛運動型多用途車(SUV)的方向盤後有一個人，但是那個人並沒有實際操控車輛。據當地官員介紹，事發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不多的州中，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
毫無疑問的，儘管自動駕駛汽車在發展過程上會遭遇一些挫折，它仍在逐步向人們走近。因此，有一些問題值得思考，例如，真正步入自動駕駛，還需要多久？
根據汽車產業的分析，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(類似於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Google正在研製的)。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。
那麼，未來幾年會如何發展？從一些關鍵業界專家所獲得的相關資訊來看，下列領域將進一步發展：
展望未來，到2020年時，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、交通號誌燈和停車讓行等交通條件。儘管如此，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座。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。屆時叫車服務供應商也許可以開始使用這類汽車，而無需任何司機。所有這些發展必然要求汽車製造商在其車輛上搭載許多自主功能，這樣才有可能實現全自動駕駛汽車在2030年代中期順利上路。
當然，實現這一時間表所需的所有發展進步將為IC半導體產業創造大好良機，因為將其付諸實現將要求許多系統增加大量的矽技術內容。這些矽技術內容將由數位和類比積體電路(IC)組成。
類比IC
全自動駕駛汽車顯然將配備眾多由不同的數位和類比IC組成的電子系統。它們將包括先進駕駛員輔助系統(ADAS)、自動駕駛電腦、自動停車輔助、盲區監測、智慧巡航控制、夜間視覺、雷射雷達等不勝枚舉。所有這些系統都需要多種不同的電壓軌和電流位準，以確保其正常工作。它們可以直接從汽車電池和/或交流發電機供電，在某些情況下，也可以從經由這些電壓軌進行了後級調節的電源軌供電。後者通常發生在超大型積體(VLSI)數位IC(如現場可編程閘陣列(FPGA)和GPU)的核心電壓情況下，此時可能需要小於1V的操作電壓而電流為幾到幾十安培。
系統設計人員必須確保ADAS符合車內各種抗雜訊標準。在汽車環境中，切換開關穩壓器正在取代那些在低散熱和高效率很重要的區域中的線性穩壓器。而且，切換開關穩壓器通常是輸入電源匯流排上的第一個主動零組件，因此對整個轉換器電路的電磁干擾(EMI)性能有著重要影響。
EMI發射有兩類，傳導和輻射。傳導發射通過電線和走線連接到產品。由於該雜訊局限於設計中的特定端子或連接器，因此如上所述，在早期開發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。電路板上的每一條布線都是一根天線，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訊號頻譜上產生雜訊。即使精心設計，在系統進行測試之前，電源設計人員也並不真正知道輻射發射會有多糟糕，而輻射發射測試只有在設計基本完成之後才能正式進行。
濾波器常常用來衰減特定頻率或一定頻率範圍的訊號強度，從而降低EMI。透過空間傳播(輻射)的這部分能量可透過添加金屬和磁遮罩來衰減。位於PCB布線(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訊和數位元件能夠接受的水準。此外，多家主管機構則是透過相關標準來確保合規。
低EMI/EMC輻射高壓轉換器方案上陣
鑒於本文所述的應用限制，目前已有廠商如亞德諾(ADI)，開發出雙通道降壓型穩壓器(LT8650S)，為一款可支援高輸入電壓、單晶片、低EMI輻射的同步降壓轉換器。該元件的3V至42V輸入電壓範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，最低輸入電壓低至3V，電源切斷瞬變超過40V。如圖1所示，該元件採用雙通道設計，由兩個高壓4A通道組成，提供低至0.8V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核心。切換開關頻率為2MHz時，其同步整流拓撲可實現高達94.4%的效率，而在空載待機條件下，Burst Mode可保持靜態電流低於6.2μA(兩個通道都打開時)，因此非常適合始終開啟(Always-on)的系統使用。
圖1 2MHz時提供5V、4A和3.3V、4A輸出的LT8650S簡化原理圖
雙通道降壓型穩壓器的切換開關頻率可以在300kHz到3MHz範圍內進行編程，並且在整個頻率範圍內都支援同步。低至40ns的最短導通時間可在切換開關頻率為2MHz時，在高壓通道上實現16VIN到2.0VOUT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，以將熱迴路面積減至最小。結合嚴格受控的切換開關邊緣和整合式接地層的內部結構，並用銅柱代替鍵合線，該元件的設計大幅降低了EMI/EMC輻射。圖2顯示了輸出輻射的特性。改良的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，因而可以簡化設計並降低風險。在整個負載範圍內，切換開關頻率為2MHz時，可以輕鬆符合汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制，還可以使用展頻(SSFM)進一步降低EMI水準。
圖2 LT8650S輻射EMI性能圖
雙通道降壓型穩壓器內建上下高功率切換開關，並將必要的升壓二極體、振盪器、控制和邏輯電路整合到單個晶片中。低漣波Burst Mode操作模式可在低輸出電流下保持高效率，同時使輸出漣波低於10mV p-p。
同樣的，對於需要比LT8650S提供的輸入範圍更寬廣的應用，廠商還開發了LT8645S——其為一款支援高輸入電壓、單晶片、低EMI輻射的同步降壓轉換器。其輸入電壓範圍為3.4V至65V，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，最低輸入電壓低至3.4V，電源切斷瞬變超過60V。如圖3所示，該元件採用單通道設計，提供5V、8A輸出。切換開關頻率為2MHz時，其同步整流拓撲可實現高達94%的效率，而在空載待機條件下，突發工作模式保持靜態電流低於2.5μA，因此非常適合始終開啟的系統使用。
圖3 2MHz時提供5V、8A輸出的LT8645S簡化原理圖
LT8645S的切換開關頻率可以在200kHz到2.2MHz範圍內進行編程，並且在整個頻率範圍內都支援同步。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，以將熱迴路面積減至最小。結合嚴格受控的切換開關邊緣和整合接地層的內部結構，並用銅柱代替鍵合線，大幅降低了EMI/EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改良的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，從而可以簡化設計並降低風險。在整個負載範圍內，該元件可以輕鬆符合汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一步降低EMI水準。
圖4 LT8645S輻射EMI性能圖
自動駕駛汽車(和卡車)所需的汽車電子系統目前和未來都在不斷地發展及普及。當然，電壓和電流位準會改變。然而，對低EMI/EMC輻射的要求不會改變，即使在惡劣的工作環境中也是如此。回到我女兒的駕駛學習，今天的汽車已經讓她能夠更輕鬆地應對周圍的駕駛員。但是，在不遠的將來，她將能夠靠在駕駛座上，悠閒地享受讓汽車帶著她去兜風。
(本文作者為ADI電源產品行銷總監)
首圖來源：Continental AG