自動駕駛汽車—電源系統(tǒng)能勝任嗎

Tony Armstrong 電源產(chǎn)品營銷總監(jiān)ADI公司

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(xué)開車以來，我多少有點出于自身利益的考慮。在她上完第一節(jié)課后，我問她怎么樣，她的回答讓我有點驚訝?？雌饋眈{車本身并不怎么讓她擔心，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后保險杠，他們從來不使用轉(zhuǎn)向信號指示燈，而且他們?yōu)榱俗兊莱鋈?，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(jīng)歷，我感同身受。

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后面（當然，也許會有一個，但并不是從傳統(tǒng)的角度實際使用操控機制）。與之相反，相當于人類駕駛員的微型計算機主機運行大量的計算機代碼，與車輛內(nèi)外各種不同的傳感器陣列相連。它們連接至云，并可以完全實時模擬車輛周圍的外部環(huán)境，從而根據(jù)當前四周的交通情況預(yù)期需要采取的行動。無論氣候、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)生了一起自動駕駛路測車撞死騎車人的事故。據(jù)當?shù)鼐奖硎?，騎車人當時正在人行道以外的地方穿越馬路。雖然自行車位于事故現(xiàn)場，但警方并不認為事故發(fā)生時，受害者正騎著自行車。受害者被緊急送往附近的醫(yī)院，并在抵達醫(yī)院后不久被宣布死亡。

事發(fā)時，在自動駕駛SUV的方向盤后有一個人，但是那個人并沒有實際操控車輛。據(jù)當?shù)毓賳T介紹，事發(fā)時車內(nèi)沒有其他乘客。值得注意的是，亞利桑那州是美國為數(shù)不多的州，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，盡管自動駕駛汽車在發(fā)展過程上會遭遇一些挫折，它仍在逐步向我們走近。因此，有一些問題值得思考：我們什么時候真正步入自動駕駛，還需要多久？

根據(jù)汽車行業(yè)的分析，自動駕駛的變遷路徑有兩種標準術(shù)語：一種是演進式的，正如當前許多汽車正在逐步推進（類似于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（如谷歌正在研制的）。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(jié)果是兩者共生融合。

那么，未來幾年會如何發(fā)展？以我從一些關(guān)鍵行業(yè)的專家那里獲得的相關(guān)信息來看，下列領(lǐng)域?qū)⑦M一步發(fā)展：

更多高級駕駛員輔助功能，可實現(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)自動駕駛汽車可能遇到的每一種情況的數(shù)據(jù)。

測繪公司將需要加強主要城市的3D測繪數(shù)據(jù)支持。 汽車制造商和高科技汽車系統(tǒng)供應(yīng)商需要彼此緊密合作，以確保光檢測器、激光雷達、雷達傳感器、GPS和攝像頭協(xié)同工作。整合了上述功能的汽車必須在所有地形和氣候條件下進行測試。

展望未來，到2020年，配備了上述半自動功能的汽車應(yīng)當可以自主駕駛以通過交叉路口、交通信號燈和停車讓行等交通條件。盡管如此，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面。預(yù)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。到那時，Lyft打車服務(wù)提供商也許可以開始使用這類汽車，而無需任何司機。當然，汽車制造商需要確保其汽車能夠理解來自路人的信號，如在過馬路時候招手。所有這些發(fā)展必然要求汽車制造商在其車輛上搭載許多自主功能，這樣才有可能實現(xiàn)全自動駕駛汽車在2030年代中期順利上路。

當然，實現(xiàn)這一時間表所需的所有發(fā)展進步將為IC半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)造大好良機，因為將其付諸實現(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。

模擬IC

全自動駕駛汽車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)。它們將包括高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動駕駛計算機、自動停車輔助、盲區(qū)監(jiān)測、智能巡航控制、夜間視覺、激光雷達等，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電池和/或交流發(fā)電機供電，在某些情況下，也可以從經(jīng)由這些電壓軌進行了后級調(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)計人員必須確保ADAS符合車內(nèi)各種抗噪標準。在汽車環(huán)境中，開關(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，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源部件，因此對整個轉(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)射通過電線和走線連接到產(chǎn)品。由于該噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器，因此如上所述，在早期開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設(shè)計，通?？梢韵鄬θ菀椎乇ＷC符合傳導(dǎo)輻射要求。

不過，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輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，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信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設(shè)計，在系統(tǒng)進行測試之前，電源設(shè)計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕，而輻射發(fā)射測試只有在設(shè)計基本完成之后才能正式進行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強度，從而降低EMI。通過空間傳播（輻射）的這部分能量可通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。位于PCB走線（傳導(dǎo)）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信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外，多家監(jiān)管機構(gòu)通過實施相關(guān)標準來確保合規(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?部門開發(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應(yīng)用（包括ADAS）的理想選擇，因為汽車應(yīng)用必須勝任冷啟動和啟停場景下的調(diào)節(jié)，最低輸入電壓低至3 V，電源切斷瞬變超過40 V。如圖1所示，該器件采用雙通道設(shè)計，由兩個高壓4 A通道組成，提供低至0.8 V的輸出電壓，從而可以驅(qū)動目前市場上電壓最低的微處理器內(nèi)核。開關(guān)頻率為2 MHz時，其同步整流拓撲可實現(xiàn)高達94.4%的效率，而在空載待機條件下，突發(fā)工作模式(BurstMode?)保持靜態(tài)電流低于6.2 μA（兩個通道都打開），因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

LT8650S的開關(guān)頻率可以在300 kHz到3 MHz范圍內(nèi)進行編程，并且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。低至40 ns的最短導(dǎo)通時間可在開關(guān)頻率為2 MHz時，在高壓通道上實現(xiàn)16 VIN到2.0 VOUT的降壓轉(zhuǎn)換。其獨特的Silent Switcher? 2架構(gòu)使用兩個內(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)合嚴格受控的開關(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)計大大降低了EMI/EMC輻射。圖2顯示了輸出輻射的特性。改進的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(shè)計并降低風險。在整個負載范圍內(nèi)，開關(guān)頻率為2 MHz時，LT8650S可以輕松符合汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一步降低EMI水平。

LT8650S內(nèi)置上下高功率開關(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，同時使輸出紋波低于10 mVp-p。最后，LT8650S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm IC引腳LGA封裝。

同樣的，對于需要比LT8650S提供的輸入范圍更寬的應(yīng)用，我們還開發(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，因而既適合汽車應(yīng)用，也適合卡車應(yīng)用，這些應(yīng)用必須勝任冷啟動和啟停場景下的調(diào)節(jié)，最低輸入電壓低至3.4 V，電源切斷瞬變超過60 V。如圖3所示，該器件采用單通道設(shè)計，提供5 V、8 A輸出。開關(guān)頻率為2 MHz時，其同步整流拓撲可實現(xiàn)高達94%的效率，而在空載待機條件下，突發(fā)工作模式保持靜態(tài)電流低于2.5μA，因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

LT8645S的開關(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內(nèi)進行編程，并且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨特的Silent Switcher 2架構(gòu)使用兩個內(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)合嚴格受控的開關(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)計大大降低了EMI/EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改進的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(shè)計并降低風險。在整個負載范圍內(nèi)，LT8645S可以輕松符合汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一步降低EMI水平。

LT8645S內(nèi)置上下高功率開關(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，同時使輸出紋波低于10 mV p-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm IC 32引腳LQFN封裝。

結(jié)論

自動駕駛汽車（和卡車）所需的汽車電子系統(tǒng)當前和未來都在不斷發(fā)展普及。當然，電壓和電流電平會改變。然而，對低EMI/EMC輻射的要求不會改變——即使在惡劣的工作環(huán)境中也是如此。值得慶幸的是，ADI公司Power by Linear產(chǎn)品線提供越來越多的解決方案，以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)對現(xiàn)在、將來、直至遠及2030年代中期的挑戰(zhàn)。

回到我女兒的駕駛學(xué)習(xí)，今天的汽車已經(jīng)讓她能夠更輕松地應(yīng)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，悠閑地享受汽車帶她去兜風。

作者簡介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear ?部門的營銷總監(jiān)，于2000年5月加入公司。他負責電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品方面從概念到停產(chǎn)的所有事情。加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分）之前，Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.（歐洲）擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他于1981年在英國曼徹斯特大學(xué)獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：符乾江