隨著汽車智能化的飛速發(fā)展，高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)在提升駕駛安全性和舒適性方面發(fā)揮著越來越重要的作用。ADAS 處理器作為系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著處理大量傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行復(fù)雜算法的重任，其對電流的需求也日益增長。為 ADAS 處理器提供超過 100A 的電流，已成為當前汽車電子設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

一、高功率能源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

(一)多通道電源設(shè)計

為滿足 ADAS 處理器對大電流的需求，采用多通道電源設(shè)計是一種有效的策略。通過將多個電源模塊并聯(lián)，可以顯著增加電流輸出能力。例如，德州儀器(TI)的 TPS62876-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器系列，其單個器件的最大額定電流為 15 至 30A，但它們具備堆疊功能。多個 TPS62876-Q1 轉(zhuǎn)換器能夠協(xié)同工作，通過將五個 30-A 的 TPS62883-Q1 版本并聯(lián)運行，可實現(xiàn)總額定電流為 150-A 的輸出，從而為 ADAS 處理器提供充足的電流。在進行多通道電源設(shè)計時，要確保各個電源模塊之間的均流性能良好。以堆疊式 TPS62876-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器為例，為在堆棧模式下實現(xiàn)最佳均流，兩個器件應(yīng)以相同的開關(guān)頻率工作，這可通過每個器件的 FSEL 引腳進行編程。同時，主器件控制一個補償網(wǎng)絡(luò)、一個 POWERGOOD 引腳、一個 ENABLE 引腳和一個 I2C 接口，并且堆棧中的所有器件需編程為使用相同的電流額定值、開關(guān)頻率和電流電平，以此保證各通道輸出電流的一致性，避免某個通道因電流過大而損壞。

(二)電源線路布線與保護電路

合理的電源線路布線對于穩(wěn)定的電流供應(yīng)至關(guān)重要。大電流傳輸時，線路電阻會產(chǎn)生顯著的電壓降，影響處理器的正常工作。因此，應(yīng)選用低電阻的導(dǎo)線，如高質(zhì)量的銅線或具有低電阻且能承受高電流的鋁線。導(dǎo)線的橫截面積也需根據(jù)電流大小進行合理選擇，以降低電阻。同時，要優(yōu)化線路布局，盡量縮短電源與處理器之間的距離，減少線路電感，降低電流傳輸過程中的損耗。保護電路是確保 ADAS 處理器安全運行的重要環(huán)節(jié)。在供電過程中，可能出現(xiàn)過電流、過電壓和過熱等問題。過電流保護器可實時監(jiān)測電流大小，當電流超過設(shè)定閾值時，迅速切斷電路，防止過大電流燒毀處理器。過熱保護器則用于監(jiān)測電源模塊或處理器的溫度，一旦溫度過高，立即采取散熱措施或降低電流輸出，避免因過熱導(dǎo)致器件性能下降甚至損壞。過電壓保護器能有效防止電源電壓異常升高對處理器造成損害。

二、散熱系統(tǒng)設(shè)計

ADAS 處理器在高電流工作狀態(tài)下會產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時散發(fā)，將導(dǎo)致處理器溫度過高，性能下降甚至出現(xiàn)故障。因此，設(shè)計有效的散熱系統(tǒng)是保障處理器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

(一)散熱片的應(yīng)用

散熱片是最常用的散熱方式之一。通過將散熱片緊密貼合在處理器表面，利用其較大的表面積將熱量傳導(dǎo)到周圍空氣中。在選擇散熱片時，要考慮其材質(zhì)、表面積和散熱結(jié)構(gòu)。材質(zhì)方面，銅和鋁因其良好的導(dǎo)熱性能成為常見選擇。銅的導(dǎo)熱率高，但成本相對較高;鋁的導(dǎo)熱率稍低，但重量輕、成本低。散熱片的表面積越大，散熱效果越好，因此通常會設(shè)計成具有復(fù)雜鰭片結(jié)構(gòu)的形狀，以增加與空氣的接觸面積，提高散熱效率。

(二)風(fēng)扇散熱

風(fēng)扇可加速空氣流動，帶走散熱片上的熱量，進一步增強散熱效果。在使用風(fēng)扇時，要注意風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓參數(shù)。風(fēng)量決定了單位時間內(nèi)通過散熱片的空氣量，風(fēng)壓則影響空氣能否順利穿過散熱片的鰭片間隙。對于 ADAS 處理器的散熱需求，需要選擇合適風(fēng)量和風(fēng)壓的風(fēng)扇，并合理布置風(fēng)扇位置，確?？諝饽軌蚓鶆虻亓鹘?jīng)散熱片，達到最佳散熱效果。同時，要注意風(fēng)扇運行時產(chǎn)生的噪音問題，避免對駕駛環(huán)境造成干擾。

(三)液冷系統(tǒng)

對于一些對散熱要求極高的 ADAS 處理器應(yīng)用場景，液冷系統(tǒng)是更優(yōu)的選擇。液冷系統(tǒng)通過循環(huán)冷卻液來吸收處理器產(chǎn)生的熱量，并將熱量傳遞到散熱器中散發(fā)出去。冷卻液具有較高的比熱容，能夠吸收大量熱量而自身溫度升高較小。與風(fēng)冷相比，液冷系統(tǒng)的散熱效率更高，能夠更有效地控制處理器溫度。在設(shè)計液冷系統(tǒng)時，要考慮冷卻液的選擇、循環(huán)泵的功率以及散熱管路的布局等因素。冷卻液應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和低腐蝕性。循環(huán)泵的功率要足夠大，以保證冷卻液能夠在管路中順暢循環(huán)。散熱管路的布局要合理，確保冷卻液能夠均勻地吸收處理器各個部位的熱量。

三、電流傳輸和分配設(shè)計

(一)低電阻線路和連接器的選擇

在傳輸超過 100A 的大電流時，線路和連接器的電阻對電流傳輸效率和穩(wěn)定性影響巨大。選擇低電阻的線路是關(guān)鍵，如前文所述，高質(zhì)量的銅線或特定的鋁線能夠有效降低電阻。此外，連接器的接觸電阻也不容忽視。劣質(zhì)連接器的接觸電阻較大，容易在大電流通過時產(chǎn)生過多熱量，甚至導(dǎo)致連接器燒毀。因此，要選擇接觸電阻小、耐久性好的連接器，確保高電流傳輸?shù)目煽啃?。例如，一些采用特殊鍍層和結(jié)構(gòu)設(shè)計的連接器，能夠降低接觸電阻，提高電流傳輸能力。

(二)電流分配的優(yōu)化

為了確保 ADAS 處理器的各個部分都能獲得穩(wěn)定、合適的電流，需要對電流分配進行優(yōu)化設(shè)計。這涉及到對處理器內(nèi)部各個模塊的電流需求進行精確分析，然后通過合理的電路布局和設(shè)計，將總電流均勻、準確地分配到各個模塊。可以采用分層式的電流分配網(wǎng)絡(luò)，先將總電流分配到各個主要的功能區(qū)域，再由這些區(qū)域的子電路將電流進一步分配到具體的芯片或模塊。同時，要使用電流監(jiān)測和調(diào)節(jié)電路，實時監(jiān)測各部分的電流大小，并根據(jù)需要進行微調(diào)，保證電流分配的準確性和穩(wěn)定性。

四、保護電路設(shè)計

(一)過電流保護

過電流保護是保護電路中的重要環(huán)節(jié)。當電路中出現(xiàn)異常大電流時，過電流保護器能夠迅速響應(yīng)，切斷電路或采取限流措施，防止 ADAS 處理器因過電流而損壞。常見的過電流保護方法包括使用保險絲、電流傳感器結(jié)合控制器等。保險絲是一種簡單有效的過電流保護元件，當電流超過其額定值時，保險絲熔斷，切斷電路。電流傳感器則可以實時監(jiān)測電流大小，并將信號傳輸給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值判斷是否發(fā)生過電流。一旦檢測到過電流，控制器可通過控制繼電器或功率開關(guān)管等方式切斷電路，或者通過調(diào)節(jié)電源輸出電壓等方式進行限流。

(二)過熱保護

如前所述，ADAS 處理器在高電流工作時容易產(chǎn)生大量熱量，過熱保護對于防止處理器因過熱而損壞至關(guān)重要。過熱保護器通常采用溫度傳感器來監(jiān)測處理器或關(guān)鍵部位的溫度。當溫度超過設(shè)定的安全閾值時，過熱保護器會觸發(fā)相應(yīng)的保護動作?？梢酝ㄟ^控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加快散熱，或者降低處理器的工作頻率和電流，以減少熱量產(chǎn)生。在一些高端的汽車電子系統(tǒng)中，過熱保護還可以與車輛的故障診斷系統(tǒng)聯(lián)動，當檢測到過熱情況時，向駕駛員發(fā)出警報，并記錄相關(guān)故障信息，以便后續(xù)維修和分析。

(三)過電壓保護

過電壓同樣可能對 ADAS 處理器造成嚴重損害。過電壓保護電路的作用是在電源電壓異常升高時，迅速將電壓限制在安全范圍內(nèi)，保護處理器免受過高電壓的沖擊。常見的過電壓保護器件有穩(wěn)壓二極管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)等。穩(wěn)壓二極管在反向擊穿狀態(tài)下能夠穩(wěn)定電壓，當輸入電壓超過其穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，將多余的電壓鉗位在一定范圍內(nèi)。MOV 則是一種非線性電阻元件，在正常電壓下，其電阻很大，幾乎不導(dǎo)通;當電壓超過其閾值時，電阻迅速減小，通過大電流，將電壓限制在安全水平。

五、效率優(yōu)化

(一)高效率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的選擇

DC-DC 轉(zhuǎn)換器在將汽車電源系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換為 ADAS 處理器所需電壓的過程中，其效率直接影響到能源利用率和熱量產(chǎn)生。選擇高效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器能夠減少能源消耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，提高整個 ADAS 系統(tǒng)的性能和可靠性。例如，TI 的一些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用了先進的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。在輕負載和重負載條件下，這些轉(zhuǎn)換器能夠自動調(diào)整工作模式，以保持高效率。在中等和重負載下，它們以脈寬調(diào)制(PWM)模式運行，而在輕負載下切換到非連續(xù)導(dǎo)通模式，從而最大限度地減少能量損耗。此外，一些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器還具備智能功率管理功能，能夠根據(jù)處理器的實際負載動態(tài)調(diào)整輸出功率，進一步提高效率。

(二)功率管理技術(shù)和休眠模式的應(yīng)用

除了選擇高效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，采用先進的功率管理技術(shù)和休眠模式也是優(yōu)化 ADAS 處理器功耗的重要手段。功率管理技術(shù)可以根據(jù)處理器的工作狀態(tài)，實時調(diào)整其供電電壓和電流。當處理器處于低負載運行狀態(tài)時，適當降低供電電壓，以減少功耗;當處理器需要處理大量數(shù)據(jù)，進入高負載運行狀態(tài)時，再提高供電電壓和電流，確保其性能。休眠模式則是在處理器暫時不需要工作時，將其切換到低功耗狀態(tài)，幾乎不消耗電能。例如，當車輛處于停車狀態(tài)且 ADAS 系統(tǒng)部分功能不需要運行時，處理器可以進入休眠模式，僅保留必要的監(jiān)測功能。當有需要時，如駕駛員啟動車輛或檢測到周圍環(huán)境變化，處理器能夠迅速從休眠模式喚醒，恢復(fù)正常工作，這種方式有效減少了不必要的功耗，提高了能源利用效率。

為 ADAS 處理器提供超過 100A 的電流是一個復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要從能源供應(yīng)、散熱、電流傳輸與分配、保護電路以及效率優(yōu)化等多個方面進行綜合設(shè)計和考量。通過合理運用先進的電子技術(shù)和設(shè)計理念，能夠確保 ADAS 處理器在高電流環(huán)境下穩(wěn)定、高效地工作，為實現(xiàn)更高級別的自動駕駛功能奠定堅實基礎(chǔ)。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來還將有更多創(chuàng)新的解決方案涌現(xiàn)，以滿足 ADAS 系統(tǒng)日益增長的高性能需求。