實(shí)現(xiàn)ADAS不僅要高速響應(yīng)還要高效率

本文來(lái)源：智車科技

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市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Research And Markets發(fā)布的報(bào)告預(yù)測(cè)，到2025年，全球高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到670億美元。在自動(dòng)駕駛離我們?nèi)匀缓苓h(yuǎn)的今天，自動(dòng)停車、自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航控制等曾經(jīng)專供豪華車使用的功能已在主流汽車上得到了擴(kuò)展應(yīng)用。
隨著新車型越來(lái)越智能——學(xué)習(xí)、連網(wǎng)、通信、監(jiān)控、決策、娛樂(lè)及輔助駕駛等——車輛的復(fù)雜性和處理海量數(shù)據(jù)的能力也在急劇提升，這也對(duì)為車載電子組件提供電力的電源提出了更高的要求——既要高速響應(yīng)，又要高效率。

四個(gè)輪子上的計(jì)算機(jī)更需要安全

今天的汽車已成為四個(gè)輪子上具有極強(qiáng)感知能力的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在最好的汽車感知系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類感知，能夠時(shí)時(shí)刻刻不間斷監(jiān)控周圍環(huán)境，這是人類駕駛員做不到的。后者經(jīng)常會(huì)疲勞、分心、注意力不集中，感知系統(tǒng)則不會(huì)有這樣的問(wèn)題。所以未來(lái)的自動(dòng)駕駛很可能會(huì)比人類駕駛更安全，因?yàn)楦兄到y(tǒng)越來(lái)越豐富，越來(lái)越全面，而且越來(lái)越強(qiáng)大。
汽車設(shè)計(jì)的大規(guī)模變革得益于半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用，更多的創(chuàng)新技術(shù)方案正在支持汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型。相比20年前，購(gòu)車大眾的愿望和決策標(biāo)準(zhǔn)幾乎與車輛本身一樣發(fā)生了變化?；叵胍幌?，千禧之交，消費(fèi)者主要對(duì)汽車性能、發(fā)動(dòng)機(jī)馬力及品牌感興趣。如今，信息娛樂(lè)和聯(lián)網(wǎng)、排放水平、安全性和質(zhì)量已成為決策標(biāo)準(zhǔn)的重中之重。
特別是安全性，一直是消費(fèi)者的考慮因素?，F(xiàn)代汽車配備各種傳感器來(lái)監(jiān)視車輛運(yùn)行的方方面面，而20年前的主要傳感器僅監(jiān)視車輪的旋轉(zhuǎn)。如今，即使是入門級(jí)車型，也包含上百個(gè)傳感器。
半導(dǎo)體在車輛中的重要性不言而喻，車輛創(chuàng)新有五分之四與電子相關(guān)，都依賴某種形式的半導(dǎo)體器件。據(jù)美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（SAE）統(tǒng)計(jì)，二級(jí)EV約有580美元用在圖像傳感器、雷達(dá)傳感器、分立開(kāi)關(guān)器件、電源模塊和照明。隨著激光雷達(dá)（LiDAR）及傳感器融合、寬禁帶（WBG）器件和激光照明技術(shù)的引入，預(yù)計(jì)4級(jí)EV中將增加兩倍至1760美元。

挑戰(zhàn)隨之而來(lái)

隨著汽車事故預(yù)防措施和自動(dòng)駕駛技術(shù)的進(jìn)步，支持高水平汽車安全完整性水平（ASIL）的ADAS的重要性日益增加。未來(lái)自動(dòng)駕駛需要車載控制系統(tǒng)代替人工駕駛的四個(gè)要素是：用耳朵和眼睛“認(rèn)知”， 用大腦“預(yù)測(cè)”和“判斷”，通過(guò)方向盤和加速器“操作”。為了實(shí)現(xiàn)駕駛安全，需要精確的感測(cè)、及時(shí)的控制和快速的顯示成像。
為了使系統(tǒng)達(dá)到安全要求，還必須監(jiān)測(cè)內(nèi)部操作條件，并注意因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的任何功能缺失。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，車載攝像頭和傳感器的數(shù)量不斷增加，以監(jiān)控任何內(nèi)外部情況；信息娛樂(lè)系統(tǒng)需要多功能來(lái)通知和顯示這些情況。隨著監(jiān)控每個(gè)單元工作狀態(tài)的電子電路的增加，系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，單元和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也投入了更多的時(shí)間。
此外，雖然汽車的電子化進(jìn)程在不斷提速，但汽車電池和發(fā)電機(jī)能夠提供的電力有限，因此對(duì)降低功耗的要求越來(lái)越高。另外，電池和發(fā)電機(jī)輸出的電壓存在較大波動(dòng)，而負(fù)責(zé)控制供電的一次DC－DC電源IC卻一直難以做到既保證穩(wěn)定工作的高速響應(yīng)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)有助于節(jié)能的高功率轉(zhuǎn)換效率。
具體問(wèn)題包括：·電池電壓波動(dòng)引發(fā)過(guò)沖，當(dāng)從輸入電壓低于輸出設(shè)置電壓的狀態(tài)恢復(fù)到波動(dòng)前電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生輸出電壓過(guò)沖問(wèn)題，尖峰脈沖可能導(dǎo)致電路元器件失效，影響穩(wěn)定工作；·傳統(tǒng)技術(shù)必須在高速響應(yīng)和高效率之間進(jìn)行取舍，為了確保高速響應(yīng)性能，需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，輕負(fù)載時(shí)的高速響應(yīng)很難同時(shí)兼顧高效率。上面提到的一次電源（Primary power supply）是指電源中負(fù)責(zé)第1級(jí)轉(zhuǎn)換的DC－DC級(jí)，在其之后的第2級(jí)轉(zhuǎn)換稱為“二次（Secondary）”。而DC－DC轉(zhuǎn)換器屬于電源IC或模塊的一種，具有將直流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的功能。它也稱為“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”，通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。DC－DC主要包括用來(lái)降低電壓的“降壓型”和用來(lái)提升電壓的“升壓型”兩種類型。

新的控制方式兩者兼得

為了解決上述難題，ROHM開(kāi)發(fā)出12個(gè)型號(hào)車載一次DC－DC轉(zhuǎn)換器 BD9P系列產(chǎn)品。新產(chǎn)品支持汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC－Q100，在嚴(yán)苛的車載環(huán)境中也可確保高可靠性。新產(chǎn)品包括輸出電壓3．3V、5．0V及可調(diào)型系列產(chǎn)品，可支持廣泛的電路類型。其應(yīng)用包括：ADAS的傳感器、攝像頭和雷達(dá)；汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)、儀表盤和BCM（車身控制模塊）等；以及汽車中要求小型、高效和高可靠性的應(yīng)用。
首先，有助于進(jìn)一步降低功耗：為了確保高速響應(yīng)性能，采用以往技術(shù)的電源IC需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，輕負(fù)載時(shí)很難兼顧高速響應(yīng)和高效率。新產(chǎn)品采用ROHM自有的電源技術(shù)Nano Pulse ControlTM的新型控制方式，用低于普通產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電流即可充分實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，同時(shí)具備原本存在矛盾關(guān)系的高速響應(yīng)和高效率優(yōu)勢(shì)，不僅在高負(fù)載時(shí)功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92％（輸出電流1A時(shí)），在輕負(fù)載時(shí)的功率轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到85％（1mA時(shí)），從輕負(fù)載到高負(fù)載都實(shí)現(xiàn)了非常出色的高效率，因此無(wú)論是引擎停止時(shí)還是行駛時(shí)，都非常有助于降低應(yīng)用產(chǎn)品的功耗。

高轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步降低功耗 其次，電池電壓波動(dòng)時(shí)也不會(huì)過(guò)沖：BD9P系列可在電池的輸入電壓波動(dòng)時(shí)穩(wěn)定工作，與普通產(chǎn)品相比，能夠?qū)㈦妷翰▌?dòng)時(shí)的輸出過(guò)沖抑制在1／10以內(nèi)，因此不再需要添加以往作為過(guò)沖對(duì)策所必需的輸出電容器。

消除過(guò)沖可確保穩(wěn)定工作 不僅如此，新產(chǎn)品與連接在它后端的二次DC－DC轉(zhuǎn)換器BD9S系列相結(jié)合，還可組成高效且高速的車載電源電路。這些方案已經(jīng)推出了參考設(shè)計(jì)，通過(guò)靈活使用參考板、各種工具及免費(fèi)的在線仿真工具ROHM Solution Simulator，還可以實(shí)施接近實(shí)際使用的仿真，并大大減少應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作量，獲得了各車載產(chǎn)品制造商的高度好評(píng)。

第三，實(shí)現(xiàn)高降壓比和穩(wěn)定工作：新產(chǎn)品采用ROHM自有的超高速脈沖控制技術(shù)Nano Pulse ControlTM，實(shí)現(xiàn)了非常高降壓比、可高效率且穩(wěn)定工作的DC－DC轉(zhuǎn)換器。器件始終在不干擾AM廣播頻段（最大1．84MHz）的2．2MHz工作，對(duì)于最大40V的高電壓輸入，還實(shí)現(xiàn)了由后端元器件驅(qū)動(dòng)的3．3V－5．0V級(jí)穩(wěn)定輸出。此外，產(chǎn)品還內(nèi)置了展頻功能，降低了噪聲峰值，因此非常適用于對(duì)輻射噪聲要求尤為嚴(yán)格的車載應(yīng)用。

第四，縮短配套產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工時(shí)：ROHM的參考設(shè)計(jì)和ROHM Solution Simulator有助于大大減少在電路設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、降噪設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、仿真等各階段的設(shè)計(jì)工時(shí)。
Nano Pulse ControlTM是在ROHM的垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制下，凝聚“電路設(shè)計(jì)”、“布局”、“工藝”三大先進(jìn)模擬技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的超高速脈沖控制技術(shù)。該技術(shù)僅用一顆電源IC即可實(shí)現(xiàn)以往必須由兩顆以上電源IC構(gòu)成的從高電壓到低電壓的電壓轉(zhuǎn)換，非常有助于12V級(jí)電源系統(tǒng)（燃油車和xEV等）和48V級(jí)電源系統(tǒng)（輕度混合動(dòng)力汽車等）驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化和系統(tǒng)簡(jiǎn)化。 參考設(shè)計(jì)解決什么問(wèn)題？隨著車載單元數(shù)量的增加和所需功能的增加，ADAS／信息娛樂(lè)外圍單元的電路設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，有四個(gè)方面的問(wèn)題需要解決：

第一，因?yàn)閿z像頭的數(shù)量、傳感器單元和安裝的電子元件增加，導(dǎo)致電源軌越來(lái)越復(fù)雜，必須考慮成本、尺寸和特性的最佳組合；第二，因?yàn)樾旭偫锍淌遣荒軤奚模仨氂幸粋€(gè)高效的供電系統(tǒng)；第三，因?yàn)槠噯卧仨氉袷夭煌脑肼晿?biāo)準(zhǔn)（例如CISPR25 Class 5），且必須滿足功能設(shè)計(jì)以外的許多設(shè)計(jì)元素，很難從單一產(chǎn)品來(lái)考慮解決問(wèn)題；第四，為了提高作為一個(gè)單元或系統(tǒng)的安全功能，必須具有對(duì)電源軌進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)電子電路故障并將其傳輸?shù)紺PU的功能。

為了滿足汽車ADAS／信息娛樂(lè)應(yīng)用要求，ROHM開(kāi)發(fā)了一個(gè)滿足單元設(shè)計(jì)所需設(shè)計(jì)元素、符合CISPR25 Class 5的8軌電源樹(shù)參考設(shè)計(jì)（REFRPT001－EVK－001）。它包括六項(xiàng)功能：·使用有8個(gè)電路的電源樹(shù)，覆蓋ADAS和信息娛樂(lè)應(yīng)用所需的電源系統(tǒng)，更節(jié)省空間；·內(nèi)置一次DC－DC轉(zhuǎn)換器IC（BD9P系列），提供穩(wěn)定電源，即使是在電池啟動(dòng)后；·內(nèi)置二次DC－DC轉(zhuǎn)換器IC（BD9S系列），實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的小型和高效；·內(nèi)置電源監(jiān)控IC，具有自我診斷功能，可監(jiān)控所有8個(gè)輸出軌，有助于提高功能ASIL安全等級(jí)；·無(wú)共模濾波器，進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，包括標(biāo)準(zhǔn)電氣特性試驗(yàn)、EMC測(cè)試（符合CISPR25 Class 5，無(wú)輸入濾波器）、熱性能測(cè)試（獨(dú)立的高效DC－DC轉(zhuǎn)換器分配熱量）；·車載IC和分立部件通過(guò)汽車AEC－Q100或AEC－Q101等級(jí)認(rèn)證。包括新產(chǎn)品BD9P系列在內(nèi)的參考設(shè)計(jì)涵蓋ADAS／信息娛樂(lè)功能所需的電源系統(tǒng)，不僅已完成標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性測(cè)試，還完成了EMC測(cè)試、熱測(cè)試等。使用參考板還可以輕松進(jìn)行實(shí)機(jī)確認(rèn)。

REFRPT001－EVK－001參考板

參考板系統(tǒng)框圖 該板的兩個(gè)一次DC－DC轉(zhuǎn)換器IC（BD9P系列）為SoC、MCU和CAN器件供電，每個(gè)器件有四路輸出。我們來(lái)看看EMC測(cè)試結(jié)果，在整個(gè)電路板不帶輸入濾波器的情況下，EMC輻射噪聲（垂直天線）、輻射噪聲（水平天線）和傳導(dǎo)噪聲均通過(guò)了CISPR25 Class 5測(cè)試。

垂直天線、水平天線的輻射噪聲

傳導(dǎo)噪聲 怎樣驗(yàn)證功率器件和驅(qū)動(dòng)IC？

近年來(lái)，增強(qiáng)安全功能、自動(dòng)駕駛、更大程度電氣化及提高燃油效率的技術(shù)創(chuàng)新增加了對(duì)提供更高功能小型電氣部件的需求，同時(shí)，應(yīng)用的數(shù)字化正在擴(kuò)大電子電路的數(shù)量和作用，導(dǎo)致在電路設(shè)計(jì)上花費(fèi)了大量工時(shí)，包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)期間的元件選擇，以及電路板的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

怎么解決呢？越來(lái)越明顯的趨勢(shì)是在電子電路設(shè)計(jì)中使用仿真技術(shù)。通過(guò)在電路板原型化之前使用仿真驗(yàn)證操作，可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并顯著減少?gòu)碾娐钒逶偷皆u(píng)估的工時(shí)。
在實(shí)際車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要用到電子電路，而且要進(jìn)行各種類型的仿真。盡管電子電路的功率越來(lái)越大，但小型化（可能導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題）必不可少，特別是在汽車中。此外，在執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作的拓?fù)渲?，可能?huì)發(fā)生相互的電磁干擾，從而導(dǎo)致故障。

例如，在應(yīng)用電路中，由于更快的CPU速度而導(dǎo)致的負(fù)載電流上升以及因小型化而產(chǎn)生的過(guò)多熱量等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。事實(shí)上，這是影響產(chǎn)品壽命最重要的因素之一。此外，一旦出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題，返工所需的程序和工時(shí)數(shù)量可能會(huì)變得非常龐大，包括重新選擇組件和修改電路板布局，以及修改散熱設(shè)計(jì)等所有工作。
因此，為解決發(fā)熱和EMC噪聲問(wèn)題，通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性的流程已經(jīng)成為常態(tài)。為了在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中模擬這些因素，器件制造商有義務(wù)為器件提供仿真模型。當(dāng)然，對(duì)于成品，可能還需要評(píng)估和驗(yàn)證支持，這不僅需要測(cè)量電氣特性，還需要熱和EMC仿真。

作為一家半導(dǎo)體制造商，ROHM提供了一系列有助于解決各種用戶開(kāi)發(fā)流程問(wèn)題的解決方案，包括通過(guò)模擬及驗(yàn)證兩種發(fā)熱現(xiàn)象的熱設(shè)計(jì)支持，忠實(shí)再現(xiàn)產(chǎn)品電氣特性的SPICE模型，以及使用流體分析的耗散結(jié)果。

ROHM設(shè)計(jì)和驗(yàn)證支持工具 ROHM提供的預(yù)先避免散熱問(wèn)題的模型允許用戶進(jìn)行散熱模擬，還能夠?qū)搴蜕崞M(jìn)行建模，并根據(jù)用戶需求提供改進(jìn)建議及熱設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)。

散熱模擬 此外，ROHM還制定了能夠在評(píng)估板上同時(shí)測(cè)量發(fā)熱和EMC的環(huán)境，特別是可以在用戶的實(shí)際板上進(jìn)行這些測(cè)量，以確保支持用戶所評(píng)估特性的再現(xiàn)性。
在熱測(cè)量支持示例中，通過(guò)實(shí)際器件的模擬和熱評(píng)估發(fā)現(xiàn)了更改電路板布局之前熱分布的問(wèn)題，改進(jìn)電路板布局之后熱阻優(yōu)化了近13％。

熱測(cè)量支持示例 除了上述各種支持工具和環(huán)境外，ROHM今年推出了一款突破性的網(wǎng)絡(luò)模擬工具ROHM Solution Simulator，它允許汽車等領(lǐng)域的系統(tǒng)和電路板設(shè)計(jì)人員對(duì)功率器件及驅(qū)動(dòng)器和電源IC進(jìn)行完整驗(yàn)證。

ROHM Solution Simulator 對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，使用這個(gè)模擬器有以下好處：·可以省去選擇元件、創(chuàng)建電路和配置仿真模型的麻煩，從而立即開(kāi)始考慮技術(shù)層面的東西；·種類繁多的產(chǎn)品可供使用，從結(jié)合SiC功率器件和驅(qū)動(dòng)IC的解決方案電路，到集成外圍元件的電源IC；·允許進(jìn)行各種模擬，從初始開(kāi)發(fā)（包括組件選擇和單個(gè)器件驗(yàn)證）到系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證階段；·執(zhí)行模擬驗(yàn)證有助于發(fā)現(xiàn)電源電路中的故障點(diǎn)，并提供在訂購(gòu)電路板之前去掉有缺陷組件的機(jī)會(huì)，大大減少了應(yīng)用開(kāi)發(fā)的工作量。

基于Web的仿真工具驗(yàn)證解決方案電路 ROHM Solution Simulator是使用西門子Mentor的模擬平臺(tái)SystemVisionTM Cloud（SVC）開(kāi)發(fā)的。SVC是由Mentor提供的基于云的軟件服務(wù)（SaaS），允許用戶執(zhí)行最新的多域模擬。支持web瀏覽器訪問(wèn)，可以在PC機(jī)上隨時(shí)隨地進(jìn)行分析。

此外，它可以導(dǎo)出和接管ROHM Solution Simulator模擬的電路，允許添加用戶電路來(lái)執(zhí)行接近實(shí)際情況的模擬。將系統(tǒng)導(dǎo)入Mentor的PCB板設(shè)計(jì)環(huán)境（Xpedition），實(shí)現(xiàn)從元件選擇和電路設(shè)計(jì)到PCB板布局的無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸，從而最大限度地減少用戶的工作量。

自動(dòng)駕駛來(lái)日方長(zhǎng)
未來(lái)，更多車輛將采用包含圖像、超聲波、雷達(dá)和LiDAR的系統(tǒng)，通過(guò)傳感器融合來(lái)提高安全相關(guān)的有效性、冗余性和魯棒性，而互補(bǔ)技術(shù)將協(xié)同工作，以確保在所有環(huán)境條件下都能完美運(yùn)行。
不過(guò)，自動(dòng)駕駛汽車不會(huì)一夜之間到來(lái)。雖然汽車行業(yè)在自動(dòng)駕駛方面已經(jīng)取得了快速進(jìn)展，但現(xiàn)實(shí)是，我們?nèi)蕴幱陂_(kāi)發(fā)階段。也許最早要到2034年，我們才能看到真正的自動(dòng)駕駛汽車上路。所以，利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)ADAS的高速響應(yīng)和高效率乃是上策！