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保護自動駕駛汽車(AV)控制電路
 

【作者: Jim Colby】   2021年04月14日 星期三

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關鍵任務子系統必須高可靠性,以確保駕駛員和乘客安全。


除非車輛的電子電路具有高度的可靠性和抗電衝擊能力,否則自動駕駛汽車(AV)所提供的安全性和便利性無法實現。通過提供過電流保護,瞬態浪湧保護,靜電放電(ESD)保護和反極性保護,設計人員可以大大降低電路故障的風險。電路保護的策略應從三個關鍵任務的AV子系統開始:攝影機、雷達和ADAS。



圖1 : 自主汽車感應系統架構
圖1 : 自主汽車感應系統架構

保護攝影機子系統

在自動駕駛汽車中,多個攝影機提供基本的前向和後向視覺,共同提供深度感知,並通過CCD/CMOS(電荷耦合器件/互補金屬氧化物半導體)圖像感測器將可見光轉換為發送到通訊和控制電路的電子信號。圖2顯示了攝影機子系統中的電路塊。需要保護元件的關鍵模組是與外部電路連接的模組。



圖2 : AV攝影機子系統中的電路塊。攝影機電源子系統需要保護以防止過電流,高能量瞬變和靜電放電。
圖2 : AV攝影機子系統中的電路塊。攝影機電源子系統需要保護以防止過電流,高能量瞬變和靜電放電。

攝影機電源子系統需要防止三種潛在的損壞來源:過電流、高能量瞬變和靜電放電。熔斷器提供過電流保護。設計人員可以選擇傳統的一次性陶瓷熔斷器或聚合物正溫度係數(PPTC)可復位熔斷器。兩種元件均可滿足汽車要求的寬溫度額定值。


PPTC具有在發生過電流的情況下不需要更換的優點。這種專用熔斷器在響應過電流產生的熱量時,電阻會顯著增加。消除過電流後,PPTC恢復到低電阻並重置電路。這兩種元件類型都有表面貼裝封裝,以節省寶貴的PC板空間。


除了過電流外,電源電路還需要保護,以防車內電源(如電機通電和斷電)引起的高能、能量瞬變。電路必須能夠承受ISO標準7637和16750定義的瞬變。相容元件包括瞬態電壓抑制器(TVS)二極體,它可以安全地吸收上述參考標準中脈衝1、2、3和5中規定的低能量瞬態和高能量瞬態。


收發器解決方案

為避免電源電壓極性意外反轉時發生災難性故障,設計人員可以讓保險絲串聯一個肖特基二極體。在提供反極性保護的同時,二極體的低正向電壓降對電源性能的影響最小。


控制器局域網(CAN)協定收發器需要針對靜電放電,快速電氣瞬變和其它過電壓瞬變的保護。二極體陣列具有較高的靜電放電可靠性,其模型具有30 kV空氣和30 kV接觸放電能力。這些器件用於幫助設計人員滿足道路車輛靜電放電的ISO 10605標準。此外,二極體陣列的電容約為15pF,漏電流低於1uA,因此不會干擾協議傳輸。這些器件還可以在攝氏-40度至+150度的溫度範圍內工作,以適應汽車環境。


保護CAN收發器的推薦電路如圖3所示。兩通道二極體陣列可以保護CAN匯流排2根資料線。單個保護元件有助於降低生產中的取放成本。像CAN收發器一樣,乙太網收發器也需要ESD保護。二極體陣列和聚合物ESD抑制器可為高速差分數據線提供必要的保護。 這些二極體陣列的型號可以提供高達+/-30 kV的ESD保護,並可以在單個封裝中保護差分線對以節省空間。0402版本也可作為分立元件提供,以實現PC電路板佈局的靈活性。



圖3 : 雙通道二極體陣列保護CAN收發器線路。
圖3 : 雙通道二極體陣列保護CAN收發器線路。

在結電容必須是絕對最低的系統中,可以考慮使用0.04pF的聚合物靜電抑制器(AXGD1系列)。在電容如此低的情況下,它不會阻礙1十億位元乙太網的傳輸速率。圖4中顯示了與OPEN Alliance乙太網組織的建議相一致的配置和元件的示例。



圖4 : 乙太網收發器的推薦ESD保護
圖4 : 乙太網收發器的推薦ESD保護

最重要的電路模組是圖像感測器模組,需要一種雙極性低電容保護元件。該二極體可承受高達+/-30kV的ESD衝擊,具有極低的洩漏電流(典型值低於10nA)和約0.35pF的電容。為了節省空間,這種ESD二極體採用1.0 mm x 0.5 mm的超小型SOD882封裝。


保護攝影機子系統與外部電路和外部環境相連接的四個電路模組將確保一個強大、可靠的可見光探測系統。盡可能靠近電路輸入端使用推薦的元件將防止外來能量損壞關鍵電路。


保護雷達子系統

雷達子系統為重要的前方和側面行人檢測和避撞功能提供輸入。如圖5所示,雷達子系統電路有兩個直流電源。低雜訊電源為模擬雷達發射機和雷達接收機電路模組供電。傳統電源為邏輯和通訊電路供電。與攝影機子系統電源一樣,雷達子系統電源也需要過電流保護、瞬態浪湧保護、反極性保護和ESD保護。


一組元件可以保護兩個電源免受過電流和反極性的影響。同樣,設計者可以從傳統的表面貼裝保險絲或PPTC可復位保險絲中進行選擇。低正向電壓肖特基二極體與兩個電源的輸入線串聯,將為電源和所有雷達子系統電路塊提供反極性保護。設計人員應在每個電源的輸入端為每個電源提供浪湧保護。


建議使用TVS二極體作為浪湧保護元件。設計人員根據TVS二極體的暫態額定功率(400W/600W適用於低功率瞬變,1500 W至7000W適用于高功率瞬變)選擇TVS二極體來保護電源。波形發生器和類比前端分別是雷達發射機和雷達接收機的一部分。它們與發射器和接收器模組(在圖5中)分開,因為在發射器輸出和接收器輸入模組上添加保護元件會改變它們的傳輸和接收阻抗。保護元件可以保護盡可能多的電路。



圖5 : 雷達子系統電路同時具有低雜訊和常規直流電源
圖5 : 雷達子系統電路同時具有低雜訊和常規直流電源

與攝影機子系統中推薦用於圖像感測器的ESD二極體類似的雙極性元件將提供必要的ESD保護。與攝影機子系統一樣,雷達子系統將其資訊傳輸到車輛的中央處理子系統。雙極二極體陣列為CAN I / O線的高側和低側均提供ESD保護。乙太網收發器可以使用二極體陣列或聚合物ESD抑制器來最大程度地減少信號失真,並且不會影響乙太網傳輸速率。


保護ADAS通訊和控制

信號處理,通訊和控制子系統(圖6)操作車輛。它必須是高可靠性的和無故障的。 該電路必須識別出正在行駛的其它車輛,可能由於動物或人擋住車輛的路徑而需要快速停車,並且需要對故障感測器做出故障安全回應。 故障安全固件至關重要,但能夠承受瞬態能量衝擊的硬體也至關重要。向控制器提供資訊的所有電路模組都需要防靜電放電保護。



圖6 : TVS和肖特基二極體為ADAS通訊/控制電路提供浪湧和反極性保護
圖6 : TVS和肖特基二極體為ADAS通訊/控制電路提供浪湧和反極性保護

電源需要過電流保護、浪湧保護和反極性保護。該電源的熔斷器可以位於模組內,也可以位於車輛上游的低壓接線盒。通過浪湧功率額定值選擇的TVS二極體可提供必要的浪湧瞬變保護。與電源輸入線串聯的肖特基二極體可提供反向電壓極性保護。


每條通訊鏈路都需要針對每個埠的獨特性能和配置而設計的ESD保護。下表列出了ADAS通訊和控制子系統中使用的通訊協定及其不同的資料速率。設計人員可以從各種具有獨特特性的二極體陣列和聚合物ESD抑制器中進行選擇,以保護每條通訊鏈路,而不會影響其資料速率或其高至低電壓差。


表1

協議

位元速率/頻率

LIN

< 20 kbps

CAN

< 1 Mbps to < 10 Mbps

汽車乙太網

100 Mbps, 1 Gbps


任何直接連接到DSP電路模組的信號線都應具有ESD保護。設計人員可以使用二極體陣列或聚合物ESD抑制器,為差分信號線提供雙極保護。設計人員有多種元器件可用來保護電路免受上述潛在應力的影響。依靠AEC-Q合格元件既可以加速符合認證機構的標準,又能讓設計人員確信元件將提供必要的保護級別。


(本文作者Jim Colby為Littelfuse行銷工程師)


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