ADAS 前置摄影机设计的电源供应四大挑战

发布日期:2024-04-07     138 次

装置是先进驾驶辅助系统()不可或缺的组件,尤其目前新车评鉴计划的规定已将自动紧急煞车与前方防撞功能列为标准功能。可辅助其它  功能,例如智能主动车距控制巡航系统、行人侦测、车道维持辅助与交通标志辨识等。
图一的范例显示如何使用摄影机进行物体侦测以实现  功能。

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图一 使用摄影机进行实时处理

为了执行如视觉预处理、深度和运动加速或 AI 网络处理以支持 ADAS 功能,系统中的系统单芯片(SoC)需要高效率的供应器。ADAS 的设计面临四大供应挑战。

【挑战 1】精巧解决方案尺寸
前置摄影机在挡风玻璃上的位置,会对尺寸造成严格的限制。摄影机模块可能包含一或二台摄影机:一台可提供较宽广的视野或较高分辨率,第二台则可提供较长距离。
虽然市面大多产品使用单一摄影机模块,但为了改善车辆周遭视野并提升自主能力等级,双摄影机模块正日益普及。高分辨率与较高帧率的摄影机模块也已蔚为趋势。在摄影机性能提升的同时,摄影机模块本身尺寸则逐渐缩减,一般尺寸为 18 mm x 18 mm。
远程摄影机模块使用串联器—解串器(SerDes)链接,将数据从摄影机模块传输至 ECU。前置摄影机模块与前置摄影机 ECU 共置,透过摄影机串行接口(CSI)-2 将数据传输至ECU基板。前置摄影机中的摄影机模块输入供电可低至 5 V,而同轴电缆供电的远程摄影机模块通常为 9 V。
前置摄影机模块子板上的多信道管理 IC(PMIC)则为低电压输入,可为成像组件及摄影机模块上的额外处理作业供电。数据先经由板载微控制器(MCU)处理,再透过CSI-2串流至ECU。摄影机模块上的 MCU 可执行像素层级的影像讯号处理功能,亦可由独立芯片予以处理。
远程摄影机模块中常见的 SerDes 芯片组不需使用电源轨供电。若低电压 PMIC 具备合适数量的电源轨,则可为摄影机模块上的影像传感器及其它周边装置供电,有利于实现这类系统所需的小巧空间。
图二展示前置摄影机系统的概略原理图,此系统通常位于靠近后视镜的挡风玻璃后方,内含负责处理数据的前置摄影机电子控制单元(ECU),以及搭载影像传感器的摄影机模块。


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图二  前置摄影机系统原理图(source:德州仪器)

在前置摄影机应用中所使用的视觉处理器,具有称为视觉处理加速器的专用硬件加速器,以及深度和运动感知加速器,可侦测位于边缘的物体。此外,这类处理器可配备人工智能(AI)功能,并以专用矩阵乘法加速器辅助深度学习。面对如此庞大的处理量,PMIC 必须满足处理器的现有需求而不增加解决方案尺寸。
PMIC 应具有优异的瞬态响应,可满足 AI 处理器的负载瞬态要求,同时具备极低的输出电容,有利维持小巧的解决方案尺寸。整合降压稳压器、压降稳压器、负载开关、电压监控器、序列器、监视定时器、错误讯号模块,以及额外的通用输入/输出,有助于实现小巧尺寸,这项优势相较于分离式方法尤其显着,因为后者具有多个零组件,会提高整体解决方案的尺寸和成本。
此应用中常见的电源树状架构旨在实现双级功率转换,有助于维持整体效率,并将组件温度维持在可接受范围内。在此电源树状架构中,前级 DC/DC会将12 V电池电压降低至稳压中间电压(例如 5 V 或 9 V),传送至多通道 PMIC。前级 DC/DC 应为大范围VIN降压转换器,可支持12 V电池电压骤降至 3 V 和遽增至 36 V 的瞬态。

【挑战 2】功能安全
因为自动紧急煞车和智能主动车距控制巡航系统均涉及前置摄影机,因此功能安全也至关重要。前置摄影机系统通常需符合车用安全完整性等级(ASIL)B的要求,这表示 PMIC 对处理器的供电必须达到 ASIL B 的要求,才能满足整体系统层级的功能安全要求。

以下略举几项 ASIL B PMIC常见的功能:
‧ 用于 PMIC 电源轨的电压监控器
‧ 附加监控器,用于侦测系统中的其它电源轨
‧ 能隙冗余
‧ 用于侦测软件故障的监视定时器
‧ 用于侦测硬件故障的错误讯号监控器

【挑战 3】低成本
系统的低成本需求主要由客车与轻型商用车大量采用前置摄影机的趋势所带动。前置摄影机系统是车辆中最常见的一种 ADAS 应用,预计到 2028 年的装置数量会超过 7000 万件。
如此庞大数量对 Tier-1 供货商带来的成本压力将转嫁至半导体供货商身上。若要维持低整体系统成本,方法包括减少物料清单数量、选择整合式组件、选择正确的技术节点,以及维持低硅成本。PMIC 可缩小尺寸并整合多个功率组件,有助于实现上述优势和最佳成本效益。

【挑战 4】散热性能
前置摄影机安装于车辆挡风玻璃上,即使在正常操作条件下,仍将暴露在高温中。高温会造成热噪声,导致影像质量不佳,尤其在低光源条件下更是如此。前置摄影机的印刷电路板面积缩减需求,加上摄影机模块中的摄影机处于高温环境,进一步为这项应用带来更严苛的散热挑战。系统必须将散热性能优化,才可在各种条件下运作。PMIC 的散热性能有助于将电路板保持在低温状态。


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