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保护自动驾驶汽车(AV)控制电路
 

【作者: Jim Colby】2021年04月14日 星期三

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关键任务子系统必须高可靠性,以确保驾驶员和乘客安全。


除非车辆的电子电路具有高度的可靠性和抗电冲击能力,否则自动驾驶汽车(AV)所提供的安全性和便利性无法实现。通过提供过电流保护,瞬态浪涌保护,静电放电(ESD)保护和反极性保护,设计人员可以大大降低电路故障的风险。电路保护的策略应从三个关键任务的AV子系统开始:摄影机、雷达和ADAS。



图1 : 自主汽车感应系统架构
图1 : 自主汽车感应系统架构

保护摄影机子系统

在自动驾驶汽车中,多个摄影机提供基本的前向和後向视觉,共同提供深度感知,并通过CCD/CMOS(电荷耦合器件/互补金属氧化物半导体)图像感测器将可见光转换为发送到通讯和控制电路的电子信号。图2显示了摄影机子系统中的电路块。需要保护元件的关键模组是与外部电路连接的模组。



图2 : AV摄影机子系统中的电路块。摄影机电源子系统需要保护以防止过电流,高能量瞬变和静电放电。
图2 : AV摄影机子系统中的电路块。摄影机电源子系统需要保护以防止过电流,高能量瞬变和静电放电。

摄影机电源子系统需要防止三种潜在的损坏来源:过电流、高能量瞬变和静电放电。熔断器提供过电流保护。设计人员可以选择传统的一次性陶瓷熔断器或聚合物正温度系数(PPTC)可复位熔断器。两种元件均可满足汽车要求的宽温度额定值。


PPTC具有在发生过电流的情况下不需要更换的优点。这种专用熔断器在响应过电流产生的热量时,电阻会显着增加。消除过电流後,PPTC恢复到低电阻并重置电路。这两种元件类型都有表面贴装封装,以节省宝贵的PC板空间。


除了过电流外,电源电路还需要保护,以防车内电源(如电机通电和断电)引起的高能、能量瞬变。电路必须能够承受ISO标准7637和16750定义的瞬变。相容元件包括瞬态电压抑制器(TVS)二极体,它可以安全地吸收上述叁考标准中脉冲1、2、3和5中规定的低能量瞬态和高能量瞬态。


收发器解决方案

为避免电源电压极性意外反转时发生灾难性故障,设计人员可以让保险丝串联一个肖特基二极体。在提供反极性保护的同时,二极体的低正向电压降对电源性能的影响最小。


控制器局域网(CAN)协定收发器需要针对静电放电,快速电气瞬变和其它过电压瞬变的保护。二极体阵列具有较高的静电放电可靠性,其模型具有30 kV空气和30 kV接触放电能力。这些器件用於帮助设计人员满足道路车辆静电放电的ISO 10605标准。此外,二极体阵列的电容约为15pF,漏电流低於1uA,因此不会干扰协议传输。这些器件还可以在摄氏-40度至+150度的温度范围内工作,以适应汽车环境。


保护CAN收发器的推荐电路如图3所示。两通道二极体阵列可以保护CAN汇流排2根资料线。单个保护元件有助於降低生产中的取放成本。像CAN收发器一样,乙太网收发器也需要ESD保护。二极体阵列和聚合物ESD抑制器可为高速差分数据线提供必要的保护。 这些二极体阵列的型号可以提供高达+/-30 kV的ESD保护,并可以在单个封装中保护差分线对以节省空间。0402版本也可作为分立元件提供,以实现PC电路板布局的灵活性。



图3 : 双通道二极体阵列保护CAN收发器线路。
图3 : 双通道二极体阵列保护CAN收发器线路。

在结电容必须是绝对最低的系统中,可以考虑使用0.04pF的聚合物静电抑制器(AXGD1系列)。在电容如此低的情况下,它不会阻碍1十亿位元乙太网的传输速率。图4中显示了与OPEN Alliance乙太网组织的建议相一致的配置和元件的示例。



图4 : 乙太网收发器的推荐ESD保护
图4 : 乙太网收发器的推荐ESD保护

最重要的电路模组是图像感测器模组,需要一种双极性低电容保护元件。该二极体可承受高达+/-30kV的ESD冲击,具有极低的泄漏电流(典型值低於10nA)和约0.35pF的电容。为了节省空间,这种ESD二极体采用1.0 mm x 0.5 mm的超小型SOD882封装。


保护摄影机子系统与外部电路和外部环境相连接的四个电路模组将确保一个强大、可靠的可见光探测系统。尽可能靠近电路输入端使用推荐的元件将防止外来能量损坏关键电路。


保护雷达子系统

雷达子系统为重要的前方和侧面行人检测和避撞功能提供输入。如图5所示,雷达子系统电路有两个直流电源。低杂讯电源为模拟雷达发射机和雷达接收机电路模组供电。传统电源为逻辑和通讯电路供电。与摄影机子系统电源一样,雷达子系统电源也需要过电流保护、瞬态浪涌保护、反极性保护和ESD保护。


一组元件可以保护两个电源免受过电流和反极性的影响。同样,设计者可以从传统的表面贴装保险丝或PPTC可复位保险丝中进行选择。低正向电压肖特基二极体与两个电源的输入线串联,将为电源和所有雷达子系统电路块提供反极性保护。设计人员应在每个电源的输入端为每个电源提供浪涌保护。


建议使用TVS二极体作为浪涌保护元件。设计人员根据TVS二极体的暂态额定功率(400W/600W适用於低功率瞬变,1500 W至7000W适用于高功率瞬变)选择TVS二极体来保护电源。波形发生器和类比前端分别是雷达发射机和雷达接收机的一部分。它们与发射器和接收器模组(在图5中)分开,因为在发射器输出和接收器输入模组上添加保护元件会改变它们的传输和接收阻抗。保护元件可以保护尽可能多的电路。



图5 : 雷达子系统电路同时具有低杂讯和常规直流电源
图5 : 雷达子系统电路同时具有低杂讯和常规直流电源

与摄影机子系统中推荐用於图像感测器的ESD二极体类似的双极性元件将提供必要的ESD保护。与摄影机子系统一样,雷达子系统将其资讯传输到车辆的中央处理子系统。双极二极体阵列为CAN I / O线的高侧和低侧均提供ESD保护。乙太网收发器可以使用二极体阵列或聚合物ESD抑制器来最大程度地减少信号失真,并且不会影响乙太网传输速率。


保护ADAS通讯和控制

信号处理,通讯和控制子系统(图6)操作车辆。它必须是高可靠性的和无故障的。 该电路必须识别出正在行驶的其它车辆,可能由於动物或人挡住车辆的路径而需要快速停车,并且需要对故障感测器做出故障安全回应。 故障安全固件至关重要,但能够承受瞬态能量冲击的硬体也至关重要。向控制器提供资讯的所有电路模组都需要防静电放电保护。



图6 : TVS和肖特基二极体为ADAS通讯/控制电路提供浪涌和反极性保护
图6 : TVS和肖特基二极体为ADAS通讯/控制电路提供浪涌和反极性保护

电源需要过电流保护、浪涌保护和反极性保护。该电源的熔断器可以位於模组内,也可以位於车辆上游的低压接线盒。通过浪涌功率额定值选择的TVS二极体可提供必要的浪涌瞬变保护。与电源输入线串联的肖特基二极体可提供反向电压极性保护。


每条通讯链路都需要针对每个埠的独特性能和配置而设计的ESD保护。下表列出了ADAS通讯和控制子系统中使用的通讯协定及其不同的资料速率。设计人员可以从各种具有独特特性的二极体阵列和聚合物ESD抑制器中进行选择,以保护每条通讯链路,而不会影响其资料速率或其高至低电压差。






















协议



位元速率/频率



LIN



< 20 kbps



CAN



< 1 Mbps to < 10 Mbps



汽车乙太网



100 Mbps, 1 Gbps



任何直接连接到DSP电路模组的信号线都应具有ESD保护。设计人员可以使用二极体阵列或聚合物ESD抑制器,为差分信号线提供双极保护。设计人员有多种元器件可用来保护电路免受上述潜在应力的影响。依靠AEC-Q合格元件既可以加速符合认证机构的标准,又能让设计人员确信元件将提供必要的保护级别。


(本文作者Jim Colby为Littelfuse行销工程师)


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