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自動(dòng)駕駛汽車(chē)—— 電源系統(tǒng)能勝任嗎?

發(fā)布時(shí)間:2019-03-04 來(lái)源:Tony Armstrong 電源產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)ADI公司 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】毫無(wú)疑問(wèn),盡管自動(dòng)駕駛汽車(chē)在發(fā)展過(guò)程上會(huì)遭遇一些挫折,它仍在逐步向我們走近。因此,有一些問(wèn)題值得思考:我們什么時(shí)候真正步入自動(dòng)駕駛,還需要多久?
 
我們準(zhǔn)備好迎接自動(dòng)駕駛汽車(chē)了嗎?這是我最近一直在問(wèn)自己的問(wèn)題,也許您也有同樣的疑問(wèn)!當(dāng)然,就我而言,自從我十幾歲的女兒開(kāi)始學(xué)開(kāi)車(chē)以來(lái),我多少有點(diǎn)出于自身利益的考慮。在她上完第一節(jié)課后,我問(wèn)她怎么樣,她的回答讓我有點(diǎn)驚訝??雌饋?lái)駕車(chē)本身并不怎么讓她擔(dān)心,反而是她周?chē)鸟{車(chē)者令她不安。她抱怨他們總是太靠近她的后保險(xiǎn)杠,他們從來(lái)不使用轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈,而且他們?yōu)榱俗兊莱鋈ィ瑫?huì)出其不意地在她車(chē)前切進(jìn)來(lái)。這些抱怨很合理,以我自己在北加利福尼亞州道路上的經(jīng)歷,我感同身受。
 
這讓我想到了自動(dòng)駕駛汽車(chē),它們不需要一個(gè)人類駕駛員坐在方向盤(pán)后面(當(dāng)然,也許會(huì)有一個(gè),但并不是從傳統(tǒng)的角度實(shí)際使用操控機(jī)制)。與之相反,相當(dāng)于人類駕駛員的微型計(jì)算機(jī)主機(jī)運(yùn)行大量的計(jì)算機(jī)代碼,與車(chē)輛內(nèi)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(shí)時(shí)模擬車(chē)輛周?chē)耐獠凯h(huán)境,從而根據(jù)當(dāng)前四周的交通情況預(yù)期需要采取的行動(dòng)。無(wú)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(huì)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(dòng)駕駛路測(cè)車(chē)撞死騎車(chē)人的事故。據(jù)當(dāng)?shù)鼐奖硎?,騎車(chē)人當(dāng)時(shí)正在人行道以外的地方穿越馬路。雖然自行車(chē)位于事故現(xiàn)場(chǎng),但警方并不認(rèn)為事故發(fā)生時(shí),受害者正騎著自行車(chē)。受害者被緊急送往附近的醫(yī)院,并在抵達(dá)醫(yī)院后不久被宣布死亡。
 
事發(fā)時(shí),在自動(dòng)駕駛SUV的方向盤(pán)后有一個(gè)人,但是那個(gè)人并沒(méi)有實(shí)際操控車(chē)輛。據(jù)當(dāng)?shù)毓賳T介紹,事發(fā)時(shí)車(chē)內(nèi)沒(méi)有其他乘客。值得注意的是,亞利桑那州是美國(guó)為數(shù)不多的州,認(rèn)定自動(dòng)駕駛汽車(chē)的駕駛座不需要有人以便必要時(shí)接管車(chē)輛操控為合法的。然而,這類事故無(wú)法增加公眾對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)的自動(dòng)駕駛能力的信心。
 
自動(dòng)駕駛車(chē)輛時(shí)間表
 
毫無(wú)疑問(wèn),盡管自動(dòng)駕駛汽車(chē)在發(fā)展過(guò)程上會(huì)遭遇一些挫折,它仍在逐步向我們走近。因此,有一些問(wèn)題值得思考:我們什么時(shí)候真正步入自動(dòng)駕駛,還需要多久?
 
根據(jù)汽車(chē)行業(yè)的分析,自動(dòng)駕駛的變遷路徑有兩種標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ):一種是演進(jìn)式的,正如當(dāng)前許多汽車(chē)正在逐步推進(jìn)(類似于特斯拉的自動(dòng)駕駛功能);另一種是革命性的,即全自動(dòng)駕駛汽車(chē)(如谷歌正在研制的)。在我看來(lái),單靠哪種路徑取得成功仍不明朗,但更有可能的結(jié)果是兩者共生融合。
 
那么,未來(lái)幾年會(huì)如何發(fā)展?以我從一些關(guān)鍵行業(yè)的專家那里獲得的相關(guān)信息來(lái)看,下列領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步發(fā)展:
 
● 更多高級(jí)駕駛員輔助功能,可實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)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(guān)自動(dòng)駕駛汽車(chē)可能遇到的每一種情況的數(shù)據(jù)。
 
● 測(cè)繪公司將需要加強(qiáng)主要城市的3D測(cè)繪數(shù)據(jù)支持。
 
● 汽車(chē)制造商和高科技汽車(chē)系統(tǒng)供應(yīng)商需要彼此緊密合作,以確保光檢測(cè)器、激光雷達(dá)、雷達(dá)傳感器、GPS和攝像頭協(xié)同工作。
 
● 整合了上述功能的汽車(chē)必須在所有地形和氣候條件下進(jìn)行測(cè)試。
 
展望未來(lái),到2020年,配備了上述半自動(dòng)功能的汽車(chē)應(yīng)當(dāng)可以自主駕駛以通過(guò)交叉路口、交通信號(hào)燈和停車(chē)讓行等交通條件。盡管如此,這些高度自主的車(chē)輛在緊急情況下仍然需要一個(gè)人類駕駛員坐在前面。預(yù)計(jì)到2024年,這些半自主駕駛汽車(chē)將能夠在更加嚴(yán)苛的條件(如惡劣天氣和夜間)下正常行駛。到那時(shí),Lyft打車(chē)服務(wù)提供商也許可以開(kāi)始使用這類汽車(chē),而無(wú)需任何司機(jī)。當(dāng)然,汽車(chē)制造商需要確保其汽車(chē)能夠理解來(lái)自路人的信號(hào),如在過(guò)馬路時(shí)候招收。所有這些發(fā)展必然要求汽車(chē)制造商在其車(chē)輛上搭載許多自主功能,這樣才有可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)在2030年代中期順利上路。
 
當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)這一時(shí)間表所需的所有發(fā)展進(jìn)步將為IC半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)造大好良機(jī),因?yàn)閷⑵涓吨T實(shí)現(xiàn)將要求許多系統(tǒng)增加大量的硅技術(shù)內(nèi)容。這些硅技術(shù)內(nèi)容將由數(shù)字和模擬集成電路(IC)組成。
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)—— 電源系統(tǒng)能勝任嗎?
圖1.2 MHz時(shí)提供5 V、4 A和3.3 V、4 A輸出的LT8650S簡(jiǎn)化原理圖。
 
模擬IC
 
全自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)、自動(dòng)停車(chē)輔助、盲區(qū)監(jiān)測(cè)、智能巡航控制、夜間視覺(jué)、激光雷達(dá)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(chē)電池和/或交流發(fā)電機(jī)供電,在某些情況下,也可以從經(jīng)由這些電壓軌進(jìn)行了后級(jí)調(diào)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(nèi)核電壓情況下,此時(shí)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(shè)計(jì)人員必須確保ADAS符合車(chē)內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車(chē)環(huán)境中,開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個(gè)有源部件,因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有著重要影響。
 
EMI發(fā)射有兩類:傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射通過(guò)電線和走線連接到產(chǎn)品。由于該噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器,因此如上所述,在早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中借助良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì),通??梢韵鄬?duì)容易地保證符合傳導(dǎo)輻射要求。
 
不過(guò),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(huì)輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一根天線,每個(gè)銅層都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外,任何其他東西都會(huì)在整個(gè)信號(hào)頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設(shè)計(jì),在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前,電源設(shè)計(jì)人員也并不真正知道輻射發(fā)射會(huì)有多糟糕,而輻射發(fā)射測(cè)試只有在設(shè)計(jì)基本完成之后才能正式進(jìn)行。
 
常常使用濾波器來(lái)衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號(hào)強(qiáng)度,從而降低EMI。通過(guò)空間傳播(輻射)的這部分能量可通過(guò)添加金屬和磁屏蔽來(lái)衰減。位于PCB走線(傳導(dǎo))的能量部分可通過(guò)添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)抑制。EMI無(wú)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(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保合規(guī)。
 
具有低EMI/EMC輻射的高壓轉(zhuǎn)換器解決方案
鑒于本文所述的應(yīng)用限制,ADI公司Power by Linear™部門(mén)開(kāi)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(zhuǎn)換器。該器件3 V至42 V輸入電壓范圍使其成為汽車(chē)應(yīng)用(包括ADAS)的理想選擇,因?yàn)槠?chē)應(yīng)用必須勝任冷啟動(dòng)和啟停場(chǎng)景下的調(diào)節(jié),最低輸入電壓低至3 V,電源切斷瞬變超過(guò)40 V。如圖1所示,該器件采用雙通道設(shè)計(jì),由兩個(gè)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(qū)動(dòng)目前市場(chǎng)上電壓最低的微處理器內(nèi)核。開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí),其同步整流拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)94.4%的效率,而在空載待機(jī)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(gè)通道都打開(kāi)),因此非常適合始終開(kāi)啟的系統(tǒng)使用。 
 
LT8650S的開(kāi)關(guān)頻率可以在300 kHz到3 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程,并且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都支持同步。低至40 ns的最短導(dǎo)通時(shí)間可在開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí),在高壓通道上實(shí)現(xiàn)16 VIN到2.0 VOUT的降壓轉(zhuǎn)換。其獨(dú)特的Silent Switcher® 2架構(gòu)使用兩個(gè)內(nèi)部輸入電容以及內(nèi)部BST和INTVCC電容,以將熱環(huán)路面積減至最小。結(jié)合嚴(yán)格受控的開(kāi)關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并用銅柱代替鍵合線,LT8650S的設(shè)計(jì)大大降低了EMI/EMC輻射。圖2顯示了輸出輻射的特性。改進(jìn)的EMI/EMC性能對(duì)電路板布局不敏感,即使使用2層PCB時(shí)也是如此,從而可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí),LT8650S可以輕松符合汽車(chē)CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進(jìn)一步降低EMI水平。
 
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)—— 電源系統(tǒng)能勝任嗎?
圖2.LT8650S輻射EMI性能圖。
 
LT8650S內(nèi)置上下高功率開(kāi)關(guān),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(gè)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(shí)使輸出紋波低于10 mV p-p。最后,LT8650S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4 mm×6 mm IC引腳LGA封裝。
 
同樣的,對(duì)于需要比LT8650S提供的輸入范圍更寬的應(yīng)用,我們還開(kāi)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(zhuǎn)換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V,因而既適合汽車(chē)應(yīng)用,也適合卡車(chē)應(yīng)用,這些應(yīng)用必須勝任冷啟動(dòng)和啟停場(chǎng)景下的調(diào)節(jié),最低輸入電壓低至3.4 V,電源切斷瞬變超過(guò)60 V。如圖3所示,該器件采用單通道設(shè)計(jì),提供5 V、8 A輸出。開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí),其同步整流拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)94%的效率,而在空載待機(jī)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(kāi)啟的系統(tǒng)使用。 
 
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)—— 電源系統(tǒng)能勝任嗎?
圖3.2MHz時(shí)提供5 V、8 A輸出的LT8645S簡(jiǎn)化原理圖
 
LT8645S的開(kāi)關(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程,并且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨(dú)特的Silent Switcher 2架構(gòu)使用兩個(gè)內(nèi)部輸入電容以及內(nèi)部BST和INTVCC電容,以將熱環(huán)路面積減至最小。結(jié)合嚴(yán)格受控的開(kāi)關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并用銅柱代替鍵合線,LT8645S的設(shè)計(jì)大大降低了EMI/EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改進(jìn)的EMI/EMC性能對(duì)電路板布局不敏感,即使使用2層PCB時(shí)也是如此,從而可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),LT8645S可以輕松符合汽車(chē)CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進(jìn)一步降低EMI水平。
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)—— 電源系統(tǒng)能勝任嗎?
圖4.LT8645S輻射EMI性能圖。
 
LT8645S內(nèi)置上下高功率開(kāi)關(guān),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(gè)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(shí)使輸出紋波低于10 mV p-p。最后,LT8645S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4 mm×6 mm IC 32引腳LQFN封裝。
 
結(jié)論
 
自動(dòng)駕駛汽車(chē)(和卡車(chē))所需的汽車(chē)電子系統(tǒng)當(dāng)前和未來(lái)都在不斷發(fā)展普及。當(dāng)然,電壓和電流電平會(huì)改變。然而,對(duì)低EMI/EMC輻射的要求不會(huì)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(chǎn)品線提供越來(lái)越多的解決方案,以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)在、將來(lái)、直至遠(yuǎn)及2030年代中期的挑戰(zhàn)。
 
回到我女兒的駕駛學(xué)習(xí),今天的汽車(chē)已經(jīng)讓她能夠更輕松地應(yīng)對(duì)周?chē)鸟{駛員。但是,在不遠(yuǎn)的將來(lái),她將能夠靠在駕駛座上,悠閑地享受汽車(chē)帶她去兜風(fēng)。
 
 
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