本文來源：智車科技

／ 導讀 ／

市場研究機構Research And Markets發(fā)布的報告預測，到2025年，全球高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）市場規(guī)模將達到670億美元。在自動駕駛離我們仍然很遠的今天，自動停車、自動緊急制動、自適應巡航控制等曾經專供豪華車使用的功能已在主流汽車上得到了擴展應用。
隨著新車型越來越智能——學習、連網、通信、監(jiān)控、決策、娛樂及輔助駕駛等——車輛的復雜性和處理海量數據的能力也在急劇提升，這也對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，又要高效率。

四個輪子上的計算機更需要安全

今天的汽車已成為四個輪子上具有極強感知能力的計算機。現在最好的汽車感知系統(tǒng)已經遠遠超過人類感知，能夠時時刻刻不間斷監(jiān)控周圍環(huán)境，這是人類駕駛員做不到的。后者經常會疲勞、分心、注意力不集中，感知系統(tǒng)則不會有這樣的問題。所以未來的自動駕駛很可能會比人類駕駛更安全，因為感知系統(tǒng)越來越豐富，越來越全面，而且越來越強大。
汽車設計的大規(guī)模變革得益于半導體技術的應用，更多的創(chuàng)新技術方案正在支持汽車行業(yè)的轉型。相比20年前，購車大眾的愿望和決策標準幾乎與車輛本身一樣發(fā)生了變化�；叵胍幌�，千禧之交，消費者主要對汽車性能、發(fā)動機馬力及品牌感興趣。如今，信息娛樂和聯網、排放水平、安全性和質量已成為決策標準的重中之重。
特別是安全性，一直是消費者的考慮因素。現代汽車配備各種傳感器來監(jiān)視車輛運行的方方面面，而20年前的主要傳感器僅監(jiān)視車輪的旋轉。如今，即使是入門級車型，也包含上百個傳感器。
半導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，都依賴某種形式的半導體器件。據美國汽車工程學會（SAE）統(tǒng)計，二級EV約有580美元用在圖像傳感器、雷達傳感器、分立開關器件、電源模塊和照明。隨著激光雷達（LiDAR）及傳感器融合、寬禁帶（WBG）器件和激光照明技術的引入，預計4級EV中將增加兩倍至1760美元。

挑戰(zhàn)隨之而來

隨著汽車事故預防措施和自動駕駛技術的進步，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。未來自動駕駛需要車載控制系統(tǒng)代替人工駕駛的四個要素是：用耳朵和眼睛“認知”， 用大腦“預測”和“判斷”，通過方向盤和加速器“操作”。為了實現駕駛安全，需要精確的感測、及時的控制和快速的顯示成像。
為了使系統(tǒng)達到安全要求，還必須監(jiān)測內部操作條件，并注意因系統(tǒng)故障而導致的任何功能缺失。為了實現這一點，車載攝像頭和傳感器的數量不斷增加，以監(jiān)控任何內外部情況；信息娛樂系統(tǒng)需要多功能來通知和顯示這些情況。隨著監(jiān)控每個單元工作狀態(tài)的電子電路的增加，系統(tǒng)變得越來越復雜，單元和系統(tǒng)的設計也投入了更多的時間。
此外，雖然汽車的電子化進程在不斷提速，但汽車電池和發(fā)電機能夠提供的電力有限，因此對降低功耗的要求越來越高。另外，電池和發(fā)電機輸出的電壓存在較大波動，而負責控制供電的一次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，同時又實現有助于節(jié)能的高功率轉換效率。
具體問題包括：·電池電壓波動引發(fā)過沖，當從輸入電壓低于輸出設置電壓的狀態(tài)恢復到波動前電壓時，會發(fā)生輸出電壓過沖問題，尖峰脈沖可能導致電路元器件失效，影響穩(wěn)定工作；·傳統(tǒng)技術必須在高速響應和高效率之間進行取舍，為了確保高速響應性能，需要較大的驅動電流，輕負載時的高速響應很難同時兼顧高效率。上面提到的一次電源（Primary power supply）是指電源中負責第1級轉換的DC－DC級，在其之后的第2級轉換稱為“二次（Secondary）”。而DC－DC轉換器屬于電源IC或模塊的一種，具有將直流電壓轉換為直流電壓的功能。它也稱為“開關穩(wěn)壓器”，通過開關來產生輸出電壓。DC－DC主要包括用來降低電壓的“降壓型”和用來提升電壓的“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開發(fā)出12個型號車載一次DC－DC轉換器 BD9P系列產品。新產品支持汽車電子產品可靠性標準AEC－Q100，在嚴苛的車載環(huán)境中也可確保高可靠性。新產品包括輸出電壓3．3V、5．0V及可調型系列產品，可支持廣泛的電路類型。其應用包括：ADAS的傳感器、攝像頭和雷達；汽車信息娛樂系統(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用。
首先，有助于進一步降低功耗：為了確保高速響應性能，采用以往技術的電源IC需要較大的驅動電流，輕負載時很難兼顧高速響應和高效率。新產品采用ROHM自有的電源技術Nano Pulse ControlTM的新型控制方式，用低于普通產品的驅動電流即可充分實現高速響應，同時具備原本存在矛盾關系的高速響應和高效率優(yōu)勢，不僅在高負載時功率轉換效率高達92％（輸出電流1A時），在輕負載時的功率轉換效率也達到85％（1mA時），從輕負載到高負載都實現了非常出色的高效率，因此無論是引擎停止時還是行駛時，都非常有助于降低應用產品的功耗。

高轉換效率進一步降低功耗 其次，電池電壓波動時也不會過沖：BD9P系列可在電池的輸入電壓波動時穩(wěn)定工作，與普通產品相比，能夠將電壓波動時的輸出過沖抑制在1／10以內，因此不再需要添加以往作為過沖對策所必需的輸出電容器。

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

第三，實現高降壓比和穩(wěn)定工作：新產品采用ROHM自有的超高速脈沖控制技術Nano Pulse ControlTM，實現了非常高降壓比、可高效率且穩(wěn)定工作的DC－DC轉換器。器件始終在不干擾AM廣播頻段（最大1．84MHz）的2．2MHz工作，對于最大40V的高電壓輸入，還實現了由后端元器件驅動的3．3V－5．0V級穩(wěn)定輸出。此外，產品還內置了展頻功能，降低了噪聲峰值，因此非常適用于對輻射噪聲要求尤為嚴格的車載應用。

第四，縮短配套產品開發(fā)工時：ROHM的參考設計和ROHM Solution Simulator有助于大大減少在電路設計、電路板設計、降噪設計、熱設計、仿真等各階段的設計工時。
Nano Pulse ControlTM是在ROHM的垂直統(tǒng)合型生產體制下，凝聚“電路設計”、“布局”、“工藝”三大先進模擬技術而實現的超高速脈沖控制技術。該技術僅用一顆電源IC即可實現以往必須由兩顆以上電源IC構成的從高電壓到低電壓的電壓轉換，非常有助于12V級電源系統(tǒng)（燃油車和xEV等）和48V級電源系統(tǒng)（輕度混合動力汽車等）驅動的產品實現小型化和系統(tǒng)簡化。 參考設計解決什么問題？隨著車載單元數量的增加和所需功能的增加，ADAS／信息娛樂外圍單元的電路設計也越來越復雜，有四個方面的問題需要解決：

第一，因為攝像頭的數量、傳感器單元和安裝的電子元件增加，導致電源軌越來越復雜，必須考慮成本、尺寸和特性的最佳組合；第二，因為行駛里程是不能犧牲的，必須有一個高效的供電系統(tǒng)；第三，因為汽車單元必須遵守不同的噪聲標準（例如CISPR25 Class 5），且必須滿足功能設計以外的許多設計元素，很難從單一產品來考慮解決問題；第四，為了提高作為一個單元或系統(tǒng)的安全功能，必須具有對電源軌進行監(jiān)控、檢測電子電路故障并將其傳輸到CPU的功能。

為了滿足汽車ADAS／信息娛樂應用要求，ROHM開發(fā)了一個滿足單元設計所需設計元素、符合CISPR25 Class 5的8軌電源樹參考設計（REFRPT001－EVK－001）。它包括六項功能：·使用有8個電路的電源樹，覆蓋ADAS和信息娛樂應用所需的電源系統(tǒng)，更節(jié)省空間；·內置一次DC－DC轉換器IC（BD9P系列），提供穩(wěn)定電源，即使是在電池啟動后；·內置二次DC－DC轉換器IC（BD9S系列），實現業(yè)界領先的小型和高效；·內置電源監(jiān)控IC，具有自我診斷功能，可監(jiān)控所有8個輸出軌，有助于提高功能ASIL安全等級；·無共模濾波器，進行了系統(tǒng)級驗證，包括標準電氣特性試驗、EMC測試（符合CISPR25 Class 5，無輸入濾波器）、熱性能測試（獨立的高效DC－DC轉換器分配熱量）；·車載IC和分立部件通過汽車AEC－Q100或AEC－Q101等級認證。包括新產品BD9P系列在內的參考設計涵蓋ADAS／信息娛樂功能所需的電源系統(tǒng)，不僅已完成標準的電氣特性測試，還完成了EMC測試、熱測試等。使用參考板還可以輕松進行實機確認。

REFRPT001－EVK－001參考板

參考板系統(tǒng)框圖 該板的兩個一次DC－DC轉換器IC（BD9P系列）為SoC、MCU和CAN器件供電，每個器件有四路輸出。我們來看看EMC測試結果，在整個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）和傳導噪聲均通過了CISPR25 Class 5測試。

垂直天線、水平天線的輻射噪聲

傳導噪聲 怎樣驗證功率器件和驅動IC？

近年來，增強安全功能、自動駕駛、更大程度電氣化及提高燃油效率的技術創(chuàng)新增加了對提供更高功能小型電氣部件的需求，同時，應用的數字化正在擴大電子電路的數量和作用，導致在電路設計上花費了大量工時，包括應用開發(fā)期間的元件選擇，以及電路板的設計和評估。

怎么解決呢？越來越明顯的趨勢是在電子電路設計中使用仿真技術。通過在電路板原型化之前使用仿真驗證操作，可以提前發(fā)現問題，并顯著減少從電路板原型到評估的工時。
在實際車輛設計過程中，不僅要用到電子電路，而且要進行各種類型的仿真。盡管電子電路的功率越來越大，但小型化（可能導致發(fā)熱問題）必不可少，特別是在汽車中。此外，在執(zhí)行開關操作的拓撲中，可能會發(fā)生相互的電磁干擾，從而導致故障。

例如，在應用電路中，由于更快的CPU速度而導致的負載電流上升以及因小型化而產生的過多熱量等問題時有發(fā)生。事實上，這是影響產品壽命最重要的因素之一。此外，一旦出現發(fā)熱問題，返工所需的程序和工時數量可能會變得非常龐大，包括重新選擇組件和修改電路板布局，以及修改散熱設計等所有工作。
因此，為解決發(fā)熱和EMC噪聲問題，通過仿真來驗證設計有效性的流程已經成為常態(tài)。為了在車輛設計過程中模擬這些因素，器件制造商有義務為器件提供仿真模型。當然，對于成品，可能還需要評估和驗證支持，這不僅需要測量電氣特性，還需要熱和EMC仿真。

作為一家半導體制造商，ROHM提供了一系列有助于解決各種用戶開發(fā)流程問題的解決方案，包括通過模擬及驗證兩種發(fā)熱現象的熱設計支持，忠實再現產品電氣特性的SPICE模型，以及使用流體分析的耗散結果。

ROHM設計和驗證支持工具 ROHM提供的預先避免散熱問題的模型允許用戶進行散熱模擬，還能夠對基板和散熱片進行建模，并根據用戶需求提供改進建議及熱設計方面的專業(yè)知識。

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

熱測量支持示例 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絡模擬工具ROHM Solution Simulator，它允許汽車等領域的系統(tǒng)和電路板設計人員對功率器件及驅動器和電源IC進行完整驗證。

ROHM Solution Simulator 對于設計者來說，使用這個模擬器有以下好處：·可以省去選擇元件、創(chuàng)建電路和配置仿真模型的麻煩，從而立即開始考慮技術層面的東西；·種類繁多的產品可供使用，從結合SiC功率器件和驅動IC的解決方案電路，到集成外圍元件的電源IC；·允許進行各種模擬，從初始開發(fā)（包括組件選擇和單個器件驗證）到系統(tǒng)級驗證階段；·執(zhí)行模擬驗證有助于發(fā)現電源電路中的故障點，并提供在訂購電路板之前去掉有缺陷組件的機會，大大減少了應用開發(fā)的工作量。

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

此外，它可以導出和接管ROHM Solution Simulator模擬的電路，允許添加用戶電路來執(zhí)行接近實際情況的模擬。將系統(tǒng)導入Mentor的PCB板設計環(huán)境（Xpedition），實現從元件選擇和電路設計到PCB板布局的無縫數據傳輸，從而最大限度地減少用戶的工作量。

自動駕駛來日方長
未來，更多車輛將采用包含圖像、超聲波、雷達和LiDAR的系統(tǒng)，通過傳感器融合來提高安全相關的有效性、冗余性和魯棒性，而互補技術將協同工作，以確保在所有環(huán)境條件下都能完美運行。
不過，自動駕駛汽車不會一夜之間到來。雖然汽車行業(yè)在自動駕駛方面已經取得了快速進展，但現實是，我們仍處于開發(fā)階段。也許最早要到2034年，我們才能看到真正的自動駕駛汽車上路。所以，利用現有技術實現ADAS的高速響應和高效率乃是上策！