簡介

汽車行業(yè)正經(jīng)歷重大的變革，電動(dòng)汽車 (EV)、自動(dòng)駕駛、高端信息娛樂系統(tǒng)、連接性，還有軟件定義汽車。無論是電動(dòng)汽車的目的、益處，還是它對(duì)汽車供應(yīng)鏈的影響，人們都已經(jīng)有了深刻的認(rèn)識(shí)。

然而，向自動(dòng)駕駛和高性能計(jì)算 (HPC) 的數(shù)字化轉(zhuǎn)型仍處于早期階段，它還在不斷的發(fā)展中。數(shù)字化轉(zhuǎn)型同時(shí)適用于電動(dòng)汽車和內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車。這些新興趨勢帶來的技術(shù)顛覆將為汽車供應(yīng)鏈帶來挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來機(jī)遇。

人口的持續(xù)增長和城市化，讓現(xiàn)代交通面臨擁堵、事故多和交通不暢等問題，并進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響（見圖1）。開發(fā)個(gè)人用自動(dòng)駕駛、聯(lián)網(wǎng)車輛和用于公共交通的自動(dòng)駕駛出租車將有助于提高便利性、安全性和經(jīng)濟(jì)流動(dòng)性。

圖1: 駕駛帶來的問題

對(duì)車輛數(shù)字化的需求日益增長，這需要先進(jìn)的技術(shù)、新的架構(gòu)，還要全面開發(fā)創(chuàng)新的組件和解決方案。自動(dòng)駕駛汽車所需的巨大的高性能算力不僅要用于車輛本身，還要支持基礎(chǔ)設(shè)施。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移動(dòng)，汽車原始設(shè)備制造商 (OEM) 和一級(jí)供應(yīng)商開始聯(lián)手片上系統(tǒng) (SoC) 供應(yīng)商，共同致力于提供推動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展所需的算力。這種范式的轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃焐處頇C(jī)會(huì)去創(chuàng)造新功能和新特性以滿足現(xiàn)代消費(fèi)者的需求，也有機(jī)會(huì)讓其產(chǎn)品在一眾競爭者之中脫穎而出。

汽車計(jì)算架構(gòu)的演變

圖 2 顯示了汽車計(jì)算架構(gòu)的演變。

過去的汽車，幾十個(gè)電子控制單元（ECU）遍布車身用于處理本地?cái)?shù)據(jù)。如今的汽車則由域控制器聚合并處理來自車身各個(gè)部分的數(shù)據(jù)。未來的車輛更將配備中央計(jì)算機(jī)，提供更高算力來支持高級(jí)駕駛輔助功能、高端信息娛樂系統(tǒng)、連接性以及其他先進(jìn)的功能。

圖2: 汽車計(jì)算架構(gòu)的演變

未來汽車的中央計(jì)算機(jī)將依靠功能強(qiáng)大的 SoC。這些 SoC 將具有先進(jìn)的 CPU 和 GPU 功能，能夠處理海量的數(shù)據(jù)并執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，讓車輛能夠?qū)崟r(shí)做出決策。這樣的SoC 需要先進(jìn)的電源管理解決方案，尤其是核心電壓軌的電源解決方案。

SoC 核心軌需要幾百安培的電流，且有嚴(yán)格的瞬態(tài)性能和效率要求。盡管服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和人工智能應(yīng)用早已使用了多代強(qiáng)大的 SoC 和先進(jìn)電源管理解決方案，但這些方案對(duì)汽車應(yīng)用來說仍是新事物。汽車電源解決方案還面臨更多的挑戰(zhàn)，例如需要符合 AEC-Q100 認(rèn)證和 ASIL-D 功能安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要保持與企業(yè)級(jí) SoC 核心電源解決方案相同的高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)、可配置性、可擴(kuò)展性、監(jiān)控和系統(tǒng)保護(hù)功能。

汽車片上系統(tǒng)（SoC）

圖 3 所示為簡化的汽車 SoC 電源樹，它包括高功率核心電源軌和低功率系統(tǒng)電源軌兩部分。低功率軌可使用電源管理 IC (PMIC) 或離散負(fù)載點(diǎn) (PoL) 變換器。高功率核心軌則需要專門的電源解決方案，因?yàn)樗鼈冇袊?yán)格的規(guī)范為嵌入到 SoC 中的 CPU 和 GPU 提供所需的功率。此外，根據(jù)架構(gòu)和性能規(guī)格，SoC 還可能需要多個(gè)核心軌。本文將重點(diǎn)介紹 SoC 核心電源軌的電源解決方案。

圖3: 汽車SoC的典型電源樹

SoC 核心軌的傳統(tǒng)解決方案使用了模擬脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器、分立式 MOSFET 以及分立式的電流和溫度采樣電路（見圖 4）。這種解決方案需要很多外部元件，這會(huì)增加成本、降低汽車應(yīng)用的可靠性，并且需要較大的 PCB 空間。因此，傳統(tǒng)解決方案不僅設(shè)計(jì)困難，而且欠缺靈活性和可擴(kuò)展性。而這兩個(gè)特性正是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、信息娛樂系統(tǒng)和高性能計(jì)算 (HPC) 應(yīng)用中 SoC 的關(guān)鍵需求。

圖4: 傳統(tǒng)SoC解決方案

圖 5 顯示了一個(gè)采用了數(shù)字多相控制器和單片 DrMOS 功率級(jí)的先進(jìn) SoC 核心電源解決方案。其中的DrMOS集成了柵極驅(qū)動(dòng)器IC、電流采樣電路和溫度采樣電路。該方案消除了傳統(tǒng)解決方案所需的多個(gè)外部組件，可以實(shí)現(xiàn)更簡單的解決方案。

圖5: 數(shù)字PWM控制器和單片DrMOS方案

采用單片設(shè)計(jì)的DrMOS可以提供無可比擬的高功率密度、精確的電流采樣和片上溫度采樣。MPS 擁有22V 和 6V DrMOS 產(chǎn)品系列，可支持單級(jí)功率轉(zhuǎn)換和兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換。

這些數(shù)字控制器具備靈活性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)給定 SoC 核心軌的電流額定值來配置相數(shù)。數(shù)字控制器不需要任何外部反饋環(huán)路補(bǔ)償，這簡化了設(shè)計(jì)工作并縮短了開發(fā)時(shí)間。這些器件還具有非易失性存儲(chǔ)器 (NVM)，可配置和重新配置寄存器設(shè)置多達(dá) 1,000 次。而且，控制器和 DrMOS 產(chǎn)品還提供各種監(jiān)控和保護(hù)功能，可用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)遙測。

汽車SoC和電池

現(xiàn)代汽車多采用兩種 12V 電池：鉛酸電池或鋰離子電池。鋰離子電池的最大輸出電壓(VOUT)高達(dá) 20V；鉛酸電池的瞬態(tài) VOUT也可以達(dá)到40V。

圖 6 展示了一個(gè)采用 22V 額定電壓 DrMOS 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的單級(jí)功率轉(zhuǎn)換方案。配備12V鋰離子電池的汽車可以直接使用22V DrMOS，無需預(yù)調(diào)節(jié)器將電池電壓轉(zhuǎn)換為 SoC 核心軌電壓。這是實(shí)現(xiàn)最佳效率、更小PCB 面積、更低成本和更優(yōu)電氣性能的理想解決方案。

對(duì)于使用鉛酸電池的車輛，在負(fù)載突降或雙電池條件下的最大電壓可達(dá) 40V。在這種情況下，需要使用預(yù)調(diào)節(jié)器將 DrMOS 上的輸入電壓 (VIN) 限制為最大 20V，以在瞬態(tài)條件下保護(hù) DrMOS。

圖 6：使用 22V DrMOS 和可選預(yù)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的單級(jí)功率轉(zhuǎn)換

如果車輛配備了鉛酸電池，則可以使用預(yù)調(diào)節(jié)器作為限壓器。預(yù)調(diào)節(jié)器能夠以 100% 占空比運(yùn)行，這也意味著在正常運(yùn)行條件下，它提供直通功能，可實(shí)現(xiàn)高于99% 的效率。在電壓瞬變期間，預(yù)調(diào)節(jié)器則充當(dāng)降壓變換器；在電池電壓 (VBATT)超過預(yù)設(shè)的20V限制時(shí)，它能在幾毫秒以內(nèi)將DrMOS的 VIN限制在20V。

就電氣性能而言，采用預(yù)調(diào)節(jié)器的方案與單級(jí)功率轉(zhuǎn)換方案類似，因?yàn)轭A(yù)調(diào)節(jié)器僅在 VBATT瞬間超過 20V 時(shí)才被激活。此外，配備預(yù)調(diào)節(jié)器后的 PCB 總面積仍小于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)楹笳咝枰邏悍至⑹?FET 和模擬 PWM 控制器用于單級(jí)轉(zhuǎn)換。

圖 7 顯示了一個(gè)具有兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的 12V 鉛酸電池供電汽車應(yīng)用方案。第一級(jí)將 VBATT 轉(zhuǎn)換為 5V 或 3.3V 中間總線電壓；第二級(jí)采用額定電壓6V的DrMOS 器件將中間總線電壓轉(zhuǎn)換為 SoC 核心電壓軌電壓。

圖 7：采用6V DrMOS 實(shí)現(xiàn)的兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換

兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換需要額外的半導(dǎo)體元件，但與單級(jí)解決方案相比，中低功率級(jí) SoC 核心軌的整體 SoC 電源解決方案仍然更小、更便宜。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要權(quán)衡所有的因素（例如 12V 電池化學(xué)成分和 SoC 核心軌電源規(guī)格），以選擇最佳的電源架構(gòu)。

圖 8 顯示的簡化應(yīng)用原理圖采用了MPS 的數(shù)字多相控制器和單片DrMOS功率級(jí)。MPQ2977-AEC1配置為兩個(gè)輸出軌，每個(gè)軌三相。這個(gè)全面的解決方案只需很少的外部組件，同時(shí)還提供多種監(jiān)控和保護(hù)功能，例如過流保護(hù) (OCP)、過壓保護(hù) (OVP) 和過溫保護(hù) (OTP)。

圖8: MPQ2977

除此之外，數(shù)字控制器也是 MPS 汽車MPSafeTM系列產(chǎn)品的一部分。該系列產(chǎn)品均為根據(jù) ISO 26262 功能安全產(chǎn)品開發(fā)流程開發(fā)的面向安全的汽車級(jí)產(chǎn)品。隨著汽車行業(yè)對(duì)自動(dòng)駕駛、互聯(lián)化和電氣化的不斷追求，ISO 26262 國際標(biāo)準(zhǔn)已成為應(yīng)對(duì)電氣和電子系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)的核心要求。MPSafeTM產(chǎn)品開發(fā)流程確保了汽車產(chǎn)品被恰當(dāng)?shù)亻_發(fā)，幫助客戶滿足高達(dá)ASIL-D的各種汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 要求。

結(jié)語

汽車行業(yè)正經(jīng)歷一系列的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，它不斷邁向自動(dòng)駕駛、高端信息娛樂系統(tǒng)、連接性和共享出行，以解決當(dāng)今駕駛員和乘客共同面臨的問題。

汽車計(jì)算架構(gòu)也隨之從分布式架構(gòu)演變?yōu)榫哂袕?qiáng)大 SoC的集中式架構(gòu)。中央計(jì)算中采用的 SoC 需要先進(jìn)的電源管理解決方案加持，尤其是核心電壓軌。傳統(tǒng)的電源解決方案已不再適用于下一代的中央計(jì)算電源應(yīng)用。

汽車 SoC 核心電源應(yīng)用中使用的先進(jìn)電源管理解決方案、數(shù)字多相控制器和 DrMOS 功率級(jí)必須是具備可擴(kuò)展性、靈活性且緊湊的電源解決方案，同時(shí)還要具備高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)。本文介紹了如何實(shí)現(xiàn)單級(jí)或兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換的電源架構(gòu)。要了解MPS 汽車 SoC 核心電源解決方案的更多信息，請(qǐng)查閱我們的 AEC-Q100 級(jí)多相數(shù)字控制器和DrMOS 功率級(jí)產(chǎn)品。