自動(dòng)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(zhǔn)備好迎接自動(dòng)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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)驚訝。看起來駕車本身并不怎么讓她擔(dān)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(xiǎn)杠，他們從來不使用轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈，而且他們?yōu)榱俗兊莱鋈?，?huì)出其不意地在她車前切進(jìn)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(dòng)駕駛汽車，它們不需要一個(gè)人類駕駛員坐在方向盤后面（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)模擬車輛周圍的外部環(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)駕駛路測車撞死騎車人的事故。據(jù)當(dāng)?shù)鼐奖硎?，騎車人當(dāng)時(shí)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(rèn)為事故發(fā)生時(shí)，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(dá)醫(yī)院后不久被宣布死亡。

事發(fā)時(shí)，在自動(dòng)駕駛SUV的方向盤后有一個(gè)人，但是那個(gè)人并沒有實(shí)際操控車輛。據(jù)當(dāng)?shù)毓賳T介紹，事發(fā)時(shí)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(rèn)定自動(dòng)駕駛汽車的駕駛座不需要有人以便必要時(shí)接管車輛操控為合法的。然而，這類事故無法增加公眾對(duì)無人駕駛汽車的自動(dòng)駕駛能力的信心。

自動(dòng)駕駛車輛時(shí)間表

毫無疑問，盡管自動(dòng)駕駛汽車在發(fā)展過程上會(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：一種是演進(jìn)式的，正如當(dāng)前許多汽車正在逐步推進(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（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(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)駕駛汽車可能遇到的每一種情況的數(shù)據(jù)。

測繪公司將需要加強(qiáng)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(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必須在所有地形和氣候條件下進(jìn)行測試。

展望未來，到2020年，配備了上述半自動(dòng)功能的汽車應(yīng)當(dāng)可以自主駕駛以通過交叉路口、交通信號(hào)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(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(jī)。當(dāng)然，汽車制造商需要確保其汽車能夠理解來自路人的信號(hào)，如在過馬路時(shí)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛汽車在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。

模擬IC

全自動(dòng)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(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)、自動(dòng)停車輔助、盲區(qū)監(jiān)測、智能巡航控制、夜間視覺、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符合車內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。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(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，在早期開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設(shè)計(jì)，通?？梢韵鄬?duì)容易地保證符合傳導(dǎo)輻射要求。

不過，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。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(jī)構(gòu)通過實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槠噾?yīng)用必須勝任冷啟動(dòng)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(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)目前市場上電壓最低的微處理器內(nèi)核。開關(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(BurstMode?)保持靜態(tài)電流低于6.2 μA（兩個(gè)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(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，從而可以簡化設(shè)計(jì)并降低風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，開關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，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(jìn)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(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 mVp-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(dòng)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(jì)，提供5 V、8 A輸出。開關(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2.5μA，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(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。

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(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（和卡車）所需的汽車電子系統(tǒng)當(dāng)前和未來都在不斷發(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、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)，今天的汽車已經(jīng)讓她能夠更輕松地應(yīng)對(duì)周圍的駕駛員。但是，在不遠(yuǎn)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(fēng)。

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(fù)責(zé)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(dān)任過營銷、銷售和運(yùn)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。聯(lián)系方式： anthony.armstrong@analog.com