隨著汽車智能化的飛速發(fā)展，高級(jí)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(lái)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(duì)電流的需求也日益增長(zhǎng)。為 ADAS 處理器提供超過(guò) 100A 的電流，已成為當(dāng)前汽車電子設(shè)計(jì)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(jì)

(一)多通道電源設(shè)計(jì)

為滿足 ADAS 處理器對(duì)大電流的需求，采用多通道電源設(shè)計(jì)是一種有效的策略。通過(guò)將多個(gè)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(gè)器件的最大額定電流為 15 至 30A，但它們具備堆疊功能。多個(gè) TPS62876-Q1 轉(zhuǎn)換器能夠協(xié)同工作，通過(guò)將五個(gè) 30-A 的 TPS62883-Q1 版本并聯(lián)運(yùn)行，可實(shí)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(jìn)行多通道電源設(shè)計(jì)時(shí)，要確保各個(gè)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(shí)現(xiàn)最佳均流，兩個(gè)器件應(yīng)以相同的開關(guān)頻率工作，這可通過(guò)每個(gè)器件的 FSEL 引腳進(jìn)行編程。同時(shí)，主器件控制一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、一個(gè) POWERGOOD 引腳、一個(gè) ENABLE 引腳和一個(gè) 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(gè)通道因電流過(guò)大而損壞。

(二)電源線路布線與保護(hù)電路

合理的電源線路布線對(duì)于穩(wěn)定的電流供應(yīng)至關(guān)重要。大電流傳輸時(shí)，線路電阻會(huì)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(jìn)行合理選擇，以降低電阻。同時(shí)，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(guò)程中的損耗。保護(hù)電路是確保 ADAS 處理器安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。在供電過(guò)程中，可能出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)熱等問(wèn)題。過(guò)電流保護(hù)器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流大小，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，迅速切斷電路，防止過(guò)大電流燒毀處理器。過(guò)熱保護(hù)器則用于監(jiān)測(cè)電源模塊或處理器的溫度，一旦溫度過(guò)高，立即采取散熱措施或降低電流輸出，避免因過(guò)熱導(dǎo)致器件性能下降甚至損壞。過(guò)電壓保護(hù)器能有效防止電源電壓異常升高對(duì)處理器造成損害。

二、散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ADAS 處理器在高電流工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時(shí)散發(fā)，將導(dǎo)致處理器溫度過(guò)高，性能下降甚至出現(xiàn)故障。因此，設(shè)計(jì)有效的散熱系統(tǒng)是保障處理器穩(wěn)定運(yùn)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(guò)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(shí)，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(jiàn)選擇。銅的導(dǎo)熱率高，但成本相對(duì)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(huì)設(shè)計(jì)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(dòng)，帶走散熱片上的熱量，進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果。在使用風(fēng)扇時(shí)，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(shí)間內(nèi)通過(guò)散熱片的空氣量，風(fēng)壓則影響空氣能否順利穿過(guò)散熱片的鰭片間隙。對(duì)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(dá)到最佳散熱效果。同時(shí)，要注意風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音問(wèn)題，避免對(duì)駕駛環(huán)境造成干擾。

(三)液冷系統(tǒng)

對(duì)于一些對(duì)散熱要求極高的 ADAS 處理器應(yīng)用場(chǎng)景，液冷系統(tǒng)是更優(yōu)的選擇。液冷系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)冷卻液來(lái)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(jì)液冷系統(tǒng)時(shí)，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(gè)部位的熱量。

三、電流傳輸和分配設(shè)計(jì)

(一)低電阻線路和連接器的選擇

在傳輸超過(guò) 100A 的大電流時(shí)，線路和連接器的電阻對(duì)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(guò)時(shí)產(chǎn)生過(guò)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)目煽啃浴＠?，一些采用特殊鍍層和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)部分都能獲得穩(wěn)定、合適的電流，需要對(duì)電流分配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這涉及到對(duì)處理器內(nèi)部各個(gè)模塊的電流需求進(jìn)行精確分析，然后通過(guò)合理的電路布局和設(shè)計(jì)，將總電流均勻、準(zhǔn)確地分配到各個(gè)模塊?？梢圆捎梅謱邮降碾娏鞣峙渚W(wǎng)絡(luò)，先將總電流分配到各個(gè)主要的功能區(qū)域，再由這些區(qū)域的子電路將電流進(jìn)一步分配到具體的芯片或模塊。同時(shí)，要使用電流監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各部分的電流大小，并根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，保證電流分配的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

四、保護(hù)電路設(shè)計(jì)

(一)過(guò)電流保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)是保護(hù)電路中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)電路中出現(xiàn)異常大電流時(shí)，過(guò)電流保護(hù)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(guò)電流而損壞。常見(jiàn)的過(guò)電流保護(hù)方法包括使用保險(xiǎn)絲、電流傳感器結(jié)合控制器等。保險(xiǎn)絲是一種簡(jiǎn)單有效的過(guò)電流保護(hù)元件，當(dāng)電流超過(guò)其額定值時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，切斷電路。電流傳感器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流大小，并將信號(hào)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(guò)電流。一旦檢測(cè)到過(guò)電流，控制器可通過(guò)控制繼電器或功率開關(guān)管等方式切斷電路，或者通過(guò)調(diào)節(jié)電源輸出電壓等方式進(jìn)行限流。

(二)過(guò)熱保護(hù)

如前所述，ADAS 處理器在高電流工作時(shí)容易產(chǎn)生大量熱量，過(guò)熱保護(hù)對(duì)于防止處理器因過(guò)熱而損壞至關(guān)重要。過(guò)熱保護(hù)器通常采用溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)處理器或關(guān)鍵部位的溫度。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，過(guò)熱保護(hù)器會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)熱保護(hù)還可以與車輛的故障診斷系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)熱情況時(shí)，向駕駛員發(fā)出警報(bào)，并記錄相關(guān)故障信息，以便后續(xù)維修和分析。

(三)過(guò)電壓保護(hù)

過(guò)電壓同樣可能對(duì) ADAS 處理器造成嚴(yán)重?fù)p害。過(guò)電壓保護(hù)電路的作用是在電源電壓異常升高時(shí)，迅速將電壓限制在安全范圍內(nèi)，保護(hù)處理器免受過(guò)高電壓的沖擊。常見(jiàn)的過(guò)電壓保護(hù)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(dāng)輸入電壓超過(guò)其穩(wěn)壓值時(shí)，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(dāng)電壓超過(guò)其閾值時(shí)，電阻迅速減小，通過(guò)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(guò)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(gè) 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(jìn)的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。在輕負(fù)載和重負(fù)載條件下，這些轉(zhuǎn)換器能夠自動(dòng)調(diào)整工作模式，以保持高效率。在中等和重負(fù)載下，它們以脈寬調(diào)制(PWM)模式運(yùn)行，而在輕負(fù)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(shí)際負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，進(jìn)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(jìn)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(shí)時(shí)調(diào)整其供電電壓和電流。當(dāng)處理器處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，適當(dāng)降低供電電壓，以減少功耗;當(dāng)處理器需要處理大量數(shù)據(jù)，進(jìn)入高負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(shí)不需要工作時(shí)，將其切換到低功耗狀態(tài)，幾乎不消耗電能。例如，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)且 ADAS 系統(tǒng)部分功能不需要運(yùn)行時(shí)，處理器可以進(jìn)入休眠模式，僅保留必要的監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)有需要時(shí)，如駕駛員啟動(dòng)車輛或檢測(cè)到周圍環(huán)境變化，處理器能夠迅速?gòu)男菝吣Ｊ絾拘眩謴?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(guò) 100A 的電流是一個(gè)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(hù)電路以及效率優(yōu)化等多個(gè)方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和考量。通過(guò)合理運(yùn)用先進(jìn)的電子技術(shù)和設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛功能奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)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(zhǎng)的高性能需求。