自动驾、IT化趋势下,别让电源成为汽车的安全隐患源

时间:2021-07-16 08:34来源:

摘要:自动驾驶汽车成为汽车发展的“终极”模式正在从Level2到Level3、4……梦想逐步走入现实。随之而来的是,汽车正在变成一个“移动的计算机”,系统越来越复杂、集成的软硬件功能越来越多。

自动驾驶汽车成为汽车发展的“终极”模式正在从Level2到Level3、4……梦想逐步走入现实。随之而来的是,汽车正在变成一个“移动的计算机”,系统越来越复杂、集成的软硬件功能越来越多。正因为如此,与传统汽车简单的机械结构和并不参与安全驾驶功能的电子信息娱乐系统相比,复杂电子系统深度参与驾驶决策的新势力汽车,出现很多安全事故责任认定扯不清理还乱的各种媒体话题事件。
 
自动驾驶汽车显然将配备众多由不同的数字和模拟IC组成的电子系统。它们将包括高级驾驶员辅助系统(ADAS)、自动驾驶计算机、自动停车辅助、盲区监测、智能巡航控制、夜间视觉、激光雷达等,不胜枚举。值得注意的是,所有这些系统都需要多种不同的电压轨和电流电平,以确保其正常工作。它们可以直接从汽车电池和/或交流发电机供电,在某些情况下,也可以从经由这些电压轨进行了后级调节的电源轨供电。作为汽车驱动的直接动力和电子系统运行的保障,电源的稳定可靠性对于自动驾驶汽车来说极其重要。



图1:自动驾趋势下,IT产品化的汽车正在成为道路上的 “移动计算机”
 
满足恶劣汽车环境,电源可靠性至关重要
汽车电子系统需要面对各种恶劣条件下,汽车应用电源必须能够无故障运行,设计人员必须考虑所有的紧急情况,包括抛负载、冷启动、蓄电池极性接反、双蓄电池跨接、尖峰箝位和LV124、ISO7637-2、ISO17650-2、TL82066定义的其他瞬变状态,以及机械振动、噪声、极宽的温度范围等。汽车电源规范的关键要求以及满足汽车规范的解决方案,包括:汽车输入瞬变、输入电压范围、输出电压/电流、低静态电流(IQ)和电磁干扰(EMI)。
 
图2显示了一个完整的电源解决方案,其满足汽车应用的苛刻要求。在前端,LT8672充当理想二极管,保护电路免受引擎盖下残酷环境的影响,防止发生破坏性故障,例如极性接反。理想二极管之后是一系列低静态电流(IQ)降压型稳压器,它们具有宽输入范围——工作电压从低至3V到高达42V——可为内核、I/O、DDR和外设需要的其他电源轨提供稳定电压。

 

2ADI 满足汽车电子瞬变抗扰度要求的 ADI Power 解决方案概览
 
这些稳压器具有超低静态电流,可延长永远在线系统的电池运行时间。低噪声电源转换技术最大限度地减少了耗资不菲的降低EMI的需求,并缩短了满足严格汽车EMI标准的设计和测试周期。对于许多必须穿越冷启动事件的关键功能,LT8603多通道低IQ降压型稳压器内置预调节升压控制器,可实现具有至少三个稳压电压轨的紧凑型解决方案。LT8602可提供四个稳压电压轨来满足许多高级驾驶辅助系统(ADAS)应用的需求,例如碰撞预警、缓冲刹车和盲点监视。
 
关注电源低EMI设计,别让电源成为安全“肇事者”
一个超强EMI耦合到一个信号线上导致程序各种跑飞,这样的经验大概很多工程师都有亲历或耳闻。当前电动汽车具有越来越强大的软硬件功能,系统的可靠性关系安全,而EMI是其中的一个关键因素之一,电源电路作为EMI的“大户”其设计必须兼顾良好的电磁兼容性,例如使用低EMI辐射的电源方案。ADI开发出LT8650S就是一款支持高输入电压、单芯片、低EMI辐射的同步降压转换器。该器件3 V至42 V输入电压范围使其成为汽车应用(包括ADAS)的理想选择,因为汽车应用必须胜任冷启动和启停场景下的调节,最低输入电压低至3 V,电源切断瞬变超过40 V。
 
如图3所示,该器件采用双通道设计,由两个高压4 A通道组成,提供低至0.8 V的输出电压,从而可以驱动目前市场上电压最低的微处理器内核。开关频率为2 MHz时,其同步整流拓扑可实现高达94.4%的效率,而在空载待机条件下,突发工作模式(Burst Mode®)保持静态电流低于6.2 µA(两个通道都打开),因此非常适合始终开启的系统使用。
 
LT8650S的开关频率可以在300 kHz到3 MHz范围内进行编程,并且在整个频率范围内都支持同步。低至40 ns的最短导通时间可在开关频率为2 MHz时,在高压通道上实现16 VIN到2.0 VOUT的降压转换。其独特的Silent Switcher® 2架构使用两个内部输入电容以及内部BST和INTVCC电容,以将热环路面积减至最小。结合严格受控的开关边沿和集成接地层的内部结构,并用铜柱代替键合线,LT8650S的设计大大降低了EMI/EMC辐射。改进的EMI/EMC性能对电路板布局不敏感,即使使用2层PCB时也是如此,从而可以简化设计并降低风险。在整个负载范围内,开关频率为2 MHz时,LT8650S可以轻松符合汽车CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。还可以使用展频(SSFM)进一步降低EMI水平。

 

3供5 V、4 A和3.3 V、4 A输出的LT8650S简化原理图

 
LT8650S内置上下高功率开关,并将必要的升压二极管、振荡 器、控制和逻辑电路集成到单个芯片中。低纹波突发工作模 式可在低输出电流下保持高效率,同时使输出纹波低于10 mV p-p。
 
同样的,对于需要比LT8650S提供的输入范围更宽的应用,可以考虑采用支持高输入电压、单芯片、低EMI辐射的同步降压转换器,例如LT8645S。其输入电压范围为3.4 V至65 V,因而既 适合汽车应用,也适合卡车应用,这些应用必须胜任冷启动和启停场景下的调节,最低输入电压低至3.4 V,电源切断瞬变超过60 V。
 
LT8645S的开关频率可以在200 kHz到2.2 MHz范围内进行编程,并且在整个频率范围内都支持同步。其独特的Silent Switcher 2架构使用两个内部输入电容以及内部BST和INTVCC电容,以将热环路面积减至最小。结合严格受控的开关边沿和集成接地层的内 部结构,并用铜柱代替键合线,LT8645S的设计大大降低了EMI/ EMC辐射。图4显示了输出辐射的特性。改进的EMI/EMC性能对 电路板布局不敏感,即使使用2层PCB时也是如此,从而可以简 化设计并降低风险。在整个负载范围内,LT8645S可以轻松符合 汽车CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。还可以使用展频进一步降低EMI水平。
 



4 LT8645S辐射EMI性能图


 

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