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[经验] 无人驾驶汽车-电力系统能胜任吗?

2020-6-16 19:01:35  172 自动驾驶
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我们准备好自动驾驶汽车了吗?我最近一直在问自己一个问题,也许你也有这个问题!当然,就我而言,自从我十几岁的女儿刚刚开始学习开车以来,我就有一点自私的感觉。在她的第一堂课后,我问她进展如何,她的回答让我有些惊讶。开车本身似乎并没有让她那么在意。是人们在她周围开车。她抱怨说,它们总是一直靠近后保险杠,他们从未使用过转向信号灯指示器,而且它们会意外地切入她的前方,以便退出。我在北加利福尼亚州的道路上所经历的所有公正点和我可能会同情的那些点。
这让我开始思考自动驾驶汽车,以及它们不一定会在车轮后面配备人工驾驶员这一事实(嗯,它们可能只有一个,但从历史的角度来看实际上并没有使用控制机制)。相反,一堆计算机代码将在连接到车辆内外不同传感器阵列的微型大型机上运行。它们将连接到云并可以实时模拟车辆周围的外部环境,以便他们可以根据周围的当前交通状况预测必须采取的措施。不论气候,环境和交通条件的范围和范围如何,都可以这样做。
不幸的是,我们最近有一名骑自行车的人死亡,他在亚利桑那州被一辆自动测试车撞倒。据当地警方称,这名骑自行车的人正在人行横道外过马路。尽管事故现场有一辆自行车,但据信事故发生时没有骑自行车。受害人被送往附近医院,并在抵达后不久被宣布死亡。
在自动驾驶的自动驾驶SUV中,事件发生时有一个人在车轮后方,但是这个人并没有实际控制车辆。据地方当局称,事发时车辆上没有其他乘客。应该指出的是,亚利桑那州是美国为数不多的合法测试自动驾驶汽车的地方之一,而无需在需要时让驾驶员坐在驾驶席上的情况下进行测试。尽管如此,这并不是一种激发公众对自动驾驶汽车自动驾驶能力充满信心的事件。
无人驾驶汽车的时间表毫无疑问,自动驾驶汽车即将到来,即使在此过程中有一些挫折。因此,可能会有几个很好的问题:我们什么时候到达那里,到那需要多长时间?
根据汽车行业,这种过渡有两个标准术语:一种是革命性的术语,其中现有汽车一点一点地到达那里(类似于特斯拉的自动驾驶功能),另一种是革命性的术语,我们拥有完全自动驾驶的汽车(例如Google的自动驾驶汽车)正在努力)。对我来说,尚不清楚哪一条道路会自行成功,但最终更有可能是两者的共生融合。
那么,未来几年的下一步是什么?好吧,根据我在这些问题上从一些关键行业专家那里获得的经验,这里列出了将要取得的进步:
  • 更高级的驾驶员辅助功能将与导航和GPS系统同步。
  • 像Google这样的公司将收集和积累有关自动驾驶汽车可能遇到的每种情况的数据。
  • 测绘公司将需要加强主要城市的3D测绘数据。
  • 汽车制造商和高科技汽车系统提供商将需要彼此紧密协作,以确保光检测,激光雷达,雷达传感器,GPS和照相机都可以紧密地协同工作。
  • 具有上述功能的车辆必须在所有地形和气候下进行测试。
展望2020年,配备上述半自动功能的车辆应该能够在十字路口,交通信号灯和走走停停的交通情况下导航。然而,即使是这些高度自动驾驶的汽车在紧急情况下仍将需要实际的人在前面。再往前看,例如到2024年,这些半自动车辆也将在更严酷的条件下正常工作,例如恶劣的天气和夜间。在此时间范围内,电梯服务提供商可能会在没有任何驾驶员的情况下开始使用这些类型的轿厢。当然,汽车制造商必须确保自己的车辆能够理解行人的信号,就像在十字路口或交叉路口向他们挥舞。
当然,使此时间表成为现实所需的所有进步将对IC半导体行业大有裨益,因为它将为实现这一目标所需的许多系统提供大部分硅含量。硅含量将由数字和模拟集成电路(IC)组成。
模拟IC完全自动驾驶的汽车显然将拥有许多不同的电子系统,混合了数字和模拟IC。这些将包括高级驾驶员辅助系统(ADAS),自动驾驶计算机,自动泊车辅助系统,盲点监控,智能巡航控制,夜视,激光雷达等。所有这些系统都需要各种不同的电压轨和电流水平才能正常运行。但是,它们可能需要直接由汽车电池和/或交流发电机供电,在某些情况下,还需要由这些轨道之一的后调节轨道供电。对于诸如FPGA和GPU之类的VLSI数字IC的核心电压通常就是这种情况,这些核心电压可能需要在几安培至10安培的电流下工作电压低于1V。
系统设计人员还必须确保ADAS符合车辆内的各种抗噪标准。在汽车环境中,在重视低散热和高效率的领域,开关稳压器正在取代线性稳压器。此外,开关稳压器通常是输入电源总线上的第一有源组件,因此对整个转换器电路的EMI性能具有重大影响。
EMI辐射有两种类型:传导和辐射。传导的发射散布在连接到产品的电线和走线上。由于噪声被局限在设计中的特定端子连接器上,因此,如前所述,通常在开发过程的早期就可以通过良好的布局或滤波器设计来确保符合传导性排放要求。
但是,辐射排放完全是另一个故事。板上载有电流的所有部件都会辐射电磁场。板上的每个走线都是天线,每个铜平面都是谐振器。除纯正弦波或直流电压外,任何信号都会在整个信号频谱中产生噪声。即使进行了仔细的设计,电源设计人员也永远不会真正知道辐射辐射的严重程度,直到对系统进行测试为止,并且直到设计基本完成才能正式执行辐射辐射测试。
滤波器通常用于通过衰减某个频率或某个频率范围内的强度来降低EMI。通过添加金属和磁性屏蔽层,可以消散一部分通过空间(辐射)的能量。通过添加铁氧体磁珠和其他滤波器来驯服PCB走线(导电)上的零件。不能消除EMI,但可以将其衰减到其他通信和数字组件可以接受的水平。此外,一些监管机构执行标准以确保合规性。
具有低EMI / EMC辐射的高压转换器解决方案由于此处概述的应用限制,凌力尔特(linear ™ Group)的analog Devices's Power 开发了LT8650S-具有高输入电压能力,双路输出单片同步降压转换器,同时具有低EMI / EMC辐射。其3 V至42 V的输入电压范围使其非常适合包括ADAS在内的汽车应用,ADAS必须通过冷启动和停止启动方案进行调节,其最小输入电压应低至3 V,并且负载突降瞬变应超过40V。如图1所示,它是一个双通道设计,由两个高压4 A通道组成,可提供低至0.8 V的电压,使其能够驱动目前可用的最低电压微处理器内核。它的同步整流拓扑在2 MHz的开关频率下提供高达94.4%的效率,而burst Mode® 在空载待机条件下,静态电流可使静态电流保持在6.2 µA(两个通道均在)以下,因此非常适合常开系统。





图1.简化的LT8650S示意图,以2 MHz的频率在4 A时提供5 V电压,在4 A输出时提供3.3 V电压。
LT8650S的开关频率可以在300kHz至3MHz范围内进行编程,并在整个范围内同步。其40 ns的最小导通时间可在2 MHz开关频率的高压通道上实现16 V IN至2.0 V OUT降压转换。其独特的静音开关®2架构使用两个内部输入电容器以及内部BST和INTVCC电容器来最大程度地减少热环路的面积。结合非常好控制的开关边缘,内部结构和完整的接地层以及使用铜柱代替键合线,LT8650的设计极大地降低了EMI / EMC辐射。排放输出特性请参见图2。改进的EMI / EMC性能对电路板布局不敏感,即使使用2层PC电路板,也可以简化设计并降低风险。LT8650S可以在整个负载范围内以2MHz的开关频率轻松通过汽车CISPR 25、5类峰值EMI限制。扩频频率调制还可用于进一步降低EMI。





图2. LT8650S的辐射EMI性能图。
LT8650S利用内部的顶部和底部高效电源开关以及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。低纹波突发模式操作可在低输出电流下保持高效率,同时将输出纹波保持在10 mV pp以下。最后,LT8650S采用小型耐热增强型4mm x 6mm IC引脚LGA封装。
同样,对于需要比LT8650S更大的输入范围的应用,我们还开发了LT8645S — LT8645S —具有高输入电压能力的单片同步降压型转换器,它还具有较低的EMI发射。其3.4 V至65 V的输入电压范围使其成为汽车和卡车应用的理想选择,这些应用必须通过冷启动和停止启动情况进行调节,其最小输入电压应低至3.4 V,负载突降瞬变应大于60V。如图3所示,它是单通道设计,在5V电压下提供8A输出。其同步整流拓扑在2MHz的开关频率下提供高达94%的效率,而突发模式操作则可将静态电流保持在2.5µA以下。负载待机条件,使其成为永远在线系统的理想选择。





图3.简化的LT8645S示意图,以2 MHz的频率在8 A输出下提供5 V电压。
LT8645S的开关频率可以在200kHz至2.2MHz范围内进行编程,并在整个范围内同步。其独特的Silent Switcher 2架构使用两个内部输入电容器以及内部BST和INTVCC电容器,以最大程度地减少热环路的面积。结合非常好控制的开关边缘,内部结构和完整的接地层以及使用铜柱代替键合线,LT8645的设计大大降低了EMI / EMC辐射。排放输出特性请参见图4。改进的EMI / EMC性能对电路板布局不敏感,即使使用2层PC电路板,也可以简化设计并降低风险。LT8645S可以轻松在其整个负载范围内通过汽车CISPR 25、5级峰值EMI限制。





图4. LT8645S辐射EMI性能图。
LT8645S利用内部的顶部和底部高效电源开关以及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。低纹波突发模式操作可在低输出电流下保持高效率,同时将输出纹波保持在10 mV pp以下。最后,LT8645S采用小型耐热增强型4mm x 6mm IC 32引线LQFN封装。
结论即使在目前,在未来的自动驾驶汽车(和卡车)中必不可少的汽车系统的普及仍在继续增长。当然,电压和电流水平会改变;但是,对于低EMI / EMC排放的要求不会消失-他们需要在其中运行的恶劣环境也不会消失。幸运的是,即使2030年代中期似乎还有很长一段路要走,ADI公司的Power by Linear产品线也提供了越来越多的解决方案来帮助系统设计人员现在和将来。
至于我女儿的驾驶,今天的车辆中的系统已经使她与周围的驾驶员打交道变得更加容易。但是,在不久的将来,她将能够坐在座位上放松,享受乘坐汽车的乐趣!
作者
托尼·阿姆斯特朗

Tony ARMstrong是ADI公司Power by Linear产品部的产品营销总监。他负责电源转换和管理产品从上市到停产的所有事务。加入ADI之前,Tony在凌力尔特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他拥有英国曼彻斯特大学应用数学(荣誉)学士学位。Tony于2020年春季退休。


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