应对汽车ADAS电源管理设计挑战，谁是你心仪的“芯”方案？-电子发烧友网

安全性和功能性是汽车技术演进的两个主要目标。前者是人们对汽车作为交通工具的核心诉求，以尽可能杜绝由汽车系统故障或人为因素所造成的事故；后者则是要不断扩展汽车产品的外延，带来更佳的用户体验。

沿着这样设计思路，越来越多的汽车电子系统正在被开发出来，并被集成到驾驶舱中，其中最有代表性的就是高级辅助驾驶系统（ADAS）。

通过使用传感器（包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等）感知周围的环境，并基于功能强大的实时数据处理和计算能力进行分析和决策，今天的ADAS系统正在不断提升自身的智能化水平，实现自动紧急停车、盲点监测、车辆/行人报警和避让、车道偏离报警和辅助等功能，以缓解驾驶员的负担，减少人为操作错误，提升整体的行车安全。而且通过整合高速通信功能，ADAS系统也在与导航定位、V2X车联网等车载远程信息系统相融合，汇聚更多的信息和数据，向终极的全自动驾驶迈进。

ADAS电源管理设计的挑战

显而易见，这样的ADAS系统——而且是功能在不断扩展的系统——会给车载电源管理系统的设计带来不小的挑战。

首先，各种功能的集成，意味着要消耗更多的电能，因此电源管理系统需要具有大电流、高功率的支持能力。比如，第一代ADAS SoC（如Mobileye EyeQ）仅消耗2W至3W功率，而目前具有更强大的数据处理和计算能力的ADAS SoC，如NVIDIA的Xavier，则需消耗20W至30W或更多功率。为了支持新一代的ADAS SoC器件，车载电源系统通常需要经过两级电压转换——先从12V电池电源（或者是48V系统）转换为一个可输出较高电流（10A或更高）的中间电源轨，再由此在负载点附近转换为SoC内核、接口、外设等所需的各种低电压轨。这样的电源管理系统架构更为复杂，需要考量的技术细节也会更多。

其次，实现更复杂的架构、支持更大的电流，势必会增加电源管理系统的尺寸，而在有限的汽车空间内，这会与小型化的设计要求形成矛盾。比如，为了减小驾驶的视觉盲区，ADAS系统中需要集成越来越多的摄像头，而摄像头模块PCB上留给电源系统的空间并不大，这就需要高集成度、更高效的电源管理方案提供助力。

第三，与其他电子产品相比，车载电源管理系统的应用环境更为复杂，而对于可靠性的要求却更高。要知道，无论是传统汽车中由内燃发动机驱动的交流发电机供电，还是电动汽车中由动力电池供电，它们都算不上是“稳定”的电源，总是会受到汽车运行状态、外部环境等诸多因素的影响，发生各种各样的紧急状况，如抛负载、冷启动、蓄电池极性接反、双蓄电池跨接、尖峰箝位和多种瞬变状态。因此在电源管理系统设计时，必须要从器件级和系统级通盘考虑相应的电路保护策略，防范这些风险因素，以确保汽车电源稳定可靠、无故障地运行。

再有，车载电源还面临着EMC设计方面的挑战。在汽车中广泛使用的开关稳压器，本身就容易在开关操作过程中产生噪声，形成EMI干扰。随着器件开关频率的增加，EMI的影响会更突出。所以，能否降低EMI噪声，满足相关测试规范的要求，也是衡量电源管理器件性能和系统设计优劣的一个关键点。

此外，汽车电源系统的设计还必须要满足功能安全的要求，符合ASIL标准，这就需要更为严格的保护和准确性、冗余设计，以及各种故障保护和诊断功能等。其中一个例子就是汽车电源系统中电压监控器的使用，其作用是当电源高于或低于用户定义的阈值时发出复位信号，以降低系统发生故障的概率。这些功能在其他非车规应用中可能不是必需的，但在汽车电源管理系统中是不可或缺的存在。

图1：汽车中的典型电气系统

（图源：Analog Devices）

ADAS电源管理设计的挑战

下面我们可以通过一个具体的案例，来进一步说明在现实的汽车电源管理路径设计中，该如何综合考虑上述这些技术要求，实现一个理想的解决方案。

图2是一个典型的ADAS远程摄像头的电源管理系统电路图。电能从汽车电池输出后，先经过前端的初级降压-升压转换器，再通过保护IC、交流阻断线圈，由同轴电缆为后端的摄像头提供直流电源；在后端（远端）单个摄像头模块上，需要由两个降压转换器进行次级电压转换，为成像器和串行器供电。

图2：ADAS远程摄像头单通道电源管理路径

（图源：Analog Devices）

在这个应用场景中，需要从三个方面来综合考虑以实现安全的电源管理路径设计：

前端电源

就是将发电机或电池输出的电压，转换为一个中间电源轨。不过如上文所述，现实应用环境中，发电机或车载电池所提供的电源电压是很不稳定的，受到发动机启/停、冷启动等环境因素的影响，会在几伏到十几伏很宽的范围内波动。因此前端电源设计面临的一个很大的挑战就是：要能够支持非常宽的输入电压范围，并将其转换和调节为高度稳定的中间电源轨输出，还要满足高效率、大电流等性能要求，同时也要兼顾EMI方面的优化。

后端电源

其作用是在靠近负载的后端进行次级转换和稳压调节。除了满足效率、EMI、保护等基本的电源管理性能要求外，小型化是后端电源设计中十分关键的要素。以这个ADAS远程摄像头应用为例，在集成多摄像头的环视系统中，需要在狭小的空间内同时支持多路电源的高效转换，这时高度集成、多通道的电源管理器件显然是更优的选择。

安全和保护

不论在电源器件中集成保护功能，还是使用单独的保护和监控元器件，实现安全和保护都是汽车电源管理系统设计中必不可少的一环。图2的应用场景中，在长同轴电缆上传输电力和数据，需要面对的主要安全风险就是对地短路（STG）和电池短路（STB），如果没有相应的保护措施，前者会由于电力被直接导入大地而导致过热和断裂，而后者则可能造成汽车电池损坏、消耗大量电力，甚至会引发爆炸等更严重的事故。本案例对此的解决方案是在前端加入了一个专门的电源保护IC，使所有下游电路免受损坏。

由此我们不难看出，在ADAS（或者其他车载电子系统）的电源管理设计中，需要有更全面的视角，在满足性能要求的同时，也要充分考虑小型化、可靠性、高效率安全等汽车应用特有的约束条件，挑战着实不小。而且所有这些都需要车规级元器件的支持，就使得开发者可用的资源受限，增加了物料选型和开发的难度。

四个ADAS电源管理“芯”方案

不过好消息是，伴随着ADAS等应用的发展，相应的车规级“芯”方案也在不断扩充和优化。今天我们就为大家推荐几款Analog Devices出品的车规级电源管理IC，它们都针对ADAS等汽车应用进行了优化，可以让你在应对汽车电源管理设计挑战时游刃有余。

MAX25255

同步降压转换器

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MAX25255是一款符合AEC-Q100标准、集成了高侧和低侧开关的小型同步双路降压转换器，可在3V至36V的宽输入电压范围内为每个通道提供高达8A的电流。该转换器提供5V和3.3V两种固定输出电压，并支持通过PGOOD信号监测电压质量，因此非常适合于ADAS、车载音响主机等前端电源。

在效率方面，MAX25255可在轻负载条件下进入跳跃模式，空载时的静态电流仅为12μA。该器件提供四个固定频率选项（200kHz、400kHz、1MHz或2MHz），所需外部元件数量少，同时能够减少纹波干扰。由于其采用扩频技术避免了AM干扰，因此具有出色的EMI性能。

MAX25255中的两个降压转换器可配置为双相操作，使输出负载能力达到16A，并联使用时可实现高达32A输出电流的四相操作，以支持更大电流的车载应用，应用扩展十分灵活。

MAX25255还集成有诊断和冗余电路，包括冗余基准电压源、芯片温度监控器、精密过压和欠压保护等功能，能够符合ASIL B等级功能安全的要求。可以说，对于车载设备前端电源的各种设计需求，考虑得非常全面。

图3：MAX25255同步降压转换器框图

（图源：Analog Devices）

MAX20411

汽车单级降压转换器

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在ADAS负载点和后端稳压方面，MAX20411汽车单级降压转换器凭借宽输入/输出电压范围以及大输出电流等特性，提供了一个理想的解决方案。

该器件是一款高效、同步降压型转换器，输入电压范围为3.0V至5.5V，可提供0.5V至1.275V输出电压，在整个负载、电源和温度范围内的输出误差低至±0.75%，并可支持高达40A的峰值输出电流。

MAX20411具有2.1MHz固定频率PWM模式，可实现更好的抗噪性和负载瞬态响应。较高的工作频率允许其使用电容值较小的陶瓷电容，有利于实现系统设计的小型化。扩频调制选项也有助于抑制电磁辐射，进一步优化EMI特性。

相对于分立式方案，MAX20411集成的低R_DS(ON)开关可大大提高重负载时的效率，并简化电路布局。同时，由于MAX20411采用MAXQ电源架构，可提供精确的瞬态性能和相位裕量，可实现出色的功率、性能和精度，同时降低特定应用的系统成本。

此外，MAX20411还具有冗余基准、BIST诊断、I²C上PEC等功能，确保其达到ASIL D功能安全标准的要求，±1%精度的可编程OV/UV、过热和短路保护等功能也为其提供了可靠性保障。

图4：MAX20411汽车单级降压转换器框图

（图源：Analog Devices）

MAX2008x

摄像头电源保护IC

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MAX2008x系列是专为ADAS摄像头电源保护而设计的高集成度解决方案。该系列产品是具有双通道或四通道的电源保护IC，为每路输出提供高达600mA负载电流，且每路输出具有独立的电池短路（STG）、对地短路（STB）和过流保护，十分有利于实现小型化的同轴电缆供电电源保护。

该器件工作在3V至5.5V电源电压，带有3V至15V摄像机电源，典型的输入至输出压差仅为110mV（@ 300mA）。

MAX2008x系列提供使能控制和I²C接口，以读取器件的诊断状态，板载ADC读取每个开关的电流。ASIL B和ASIL D兼容版本还可通过ADC读取更多的诊断测量信息，以确保覆盖高故障率事件，实现更高的安全性。

图5：MAX2008x摄像头电源保护IC框图

（图源：Analog Devices）

MAX20480

汽车电源系统监控器

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MAX20480汽车电源系统监控器是汽车电源满足安全性要求的关键器件，具有高度集成、高精度和小型化的特性优势。

MAX20480具有多达7路电压监测输入，每路输入均具有2.5%至10%的可编程OV/UV门限，精度为±1%。其中两路输入具有独立的远端地检测输入，通过集成I²C接口支持DVS。

MAX20480包含可编程的灵活上电顺序记录器（FPSR），该记录器独立储存上电和断电时标，支持开/关和休眠/待机电源排序。该器件也包含可编程质询/应答看门狗功能，可通过I²C接口访问；此外还包括可编程低电平有效RESET输出等功能。

MAX20480电压监控器只需1个外部元件，与独立IC或分立式元件相比，在提高可靠性的同时大大降低了系统尺寸，简化了BOM。与监控控制器配合使用时，MAX20480满足ASIL-D功能安全标准，适用于ADAS和车载远端传感器模块等应用。

图6：MAX20480汽车电源系统监控器框图

（图源：Analog Devices）

调查有好礼

众所周知，汽车ADAS应用正在朝向更高的性能、更丰富的功能不断发展，这一趋势也给相关的电源管理系统的设计提出更大的挑战。Analog Devices针对这一需求，可以提供一系列车规级的产品和解决方案，满足高效率、小型化、可靠性和安全性等设计要求，本文介绍的四款“芯”方案就是其中的代表作。

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MAX25255同步降压转换器
MAX20411汽车单级降压转换器
MAX2008x摄像头电源保护IC
MAX20480汽车电源系统监控器

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