当涉及到电气干扰和瞬变时,组成自动驾驶汽车的子系统应该是防弹的。
那些采用自动驾驶技术的人通常都清楚其好处。但是,只有在汽车电子设备对雷击(仅限于车载充电器的交流输入),车载电涌和静电放电(ESD)等电击可靠且坚固的情况下,自动驾驶汽车才能提供安全性和便利性)中国机械网okmao.com。设计人员必须在设计过程中尽早加入电路保护,以免进行最后的修改,否则可能会延迟合规性批准并可能损害电路性能。
摄影机系统
典型的汽车摄像头子系统。
首先考虑摄像机子系统的情况。其中,多个摄像机协同工作以提供深度感知,并将通过CCD / CMOS图像传感器的可见光转换为发送到通信和控制电路的电子信号。在摄像机子系统的电路块中,需要保护组件的电路块与外部电路连接。它们通常包括CAN收发器,电源和以太网收发器。
摄像机电源子系统需要保护以防止过电流,高能量瞬变和ESD。保险丝提供过电流保护。设计人员可以选择传统的一次性熔断式陶瓷熔断器,也可以选择基于聚合物的正温度系数(PPTC)可复位熔断器。两种组件均可满足汽车要求的宽温度额定值。陶瓷保险丝的额定工作温度范围为-55至+150°C,PPTC自恢复保险丝的最高工作温度为+125°C。PPTC的优点是,如果遇到过电流,则无需更换。PPTC响应于过电流产生的热量而实质上提高了电阻。消除过电流后,PPTC恢复到低电阻。两种元件都采用表面贴装封装,以节省宝贵的PCB空间。
用于模拟电路的双极TVS二极管阵列。
除了过电流之外,电源电路还需要保护,以防止由于诸如打开和关闭电机之类的车载电源而引起的高能瞬变。该电路必须能够承受ISO标准7637和16750定义的瞬变。兼容的组件包括瞬态电压抑制器(TVS)二极管,该二极管可以安全地吸收脉冲1、2、3和3中指定的低能量瞬变和高能量瞬变。 5以上提到的标准已清楚说明。
设计人员还可以考虑使用金属氧化物压敏电阻(MOV)进行瞬态能量保护。MOV可以吸收来自8×20 µsec脉冲的500 A浪涌电流和来自10×1,000 µsec脉冲的高达2.5 J的瞬态电流的瞬变。这些组件符合电磁兼容标准IEC 61000-4-2。MOV还可以在-40至+ 125°C的工作温度范围内安全承受汽车环境。
为了避免灾难性的故障(如果电源电压的极性意外反转),设计人员可以在保险丝中串联一个肖特基二极管。在提供反极性保护的同时,二极管的低正向压降对电源性能的影响最小。
CAN的ESD保护
建议用于CANbus收发器的ESD保护的布局。
控制器局域网(CAN)协议收发器需要针对ESD,快速电气瞬变和其他过电压瞬变的保护。一些二极管阵列专门设计用于保护CAN线路而不会降低性能。二极管阵列具有30 kV空气和30 kV接触放电能力的型号,具有较高的ESD耐受性。这些设备可帮助设计人员满足道路车辆ESD的ISO 10605标准。二极管阵列不仅可以承受高ESD电压,而且还可以吸收IEC标准61000-4-4(电快速瞬变)定义的高达50 A的瞬变。此外,二极管阵列的电容约为15 pF,泄漏电流低于1 µA,因此不会干扰协议传输。
这些器件还可以在-40至150°C的工作温度范围内生存于汽车环境中。设计用于保护CAN收发器的电路通常在高线和低线上都包含一个两通道二极管阵列。提供了包含两个阵列的单个保护组件,可帮助降低生产中的贴装成本。
以太网的ESD保护
建议用于以太网收发器的ESD保护。
像CAN收发器一样,以太网收发器也需要ESD和瞬态浪涌保护。二极管阵列和聚合物ESD抑制器可以为高速差分数据线提供必要的保护。这些二极管阵列的型号可以提供高达±30 kV的ESD保护,并且可以吸收高达50 A的电快速瞬变。
二极管阵列可以在单个封装中保护差分线对以节省空间。版本也可作为0402和0603表面贴装封装中的分立元件提供,以最大程度地减少电容和PCB空间。这些ESD保护器件可减少信号失真,减少电压过冲并简化电路设计。二极管阵列的电容值可降至0.35 pF,聚合物ESD抑制器的电容值可降至0.04 pF。这些参数可确保ESD保护不会妨碍1-Gbit以太网传输速率。
最重要的电路块是图像传感器的电路块。一对双极ESD二极管对可以保护图像传感器及其电路。该双极保护组件中的二极管从阴极到阴极定向。这种型号的TVS二极管可以承受高达±30 kV的ESD冲击,并且泄漏电流极低,典型值低于10 nA。它的电容约为0.35 pF。这些TVS二极管阵列采用1.0×0.5毫米超小型SOD882封装,以最小化电路板空间。保护元件应尽可能靠近电路输入,以免外部能量损坏关键部件。
自动驾驶汽车应用的典型雷达子系统框图。
雷达子系统为前进和后方行人检测以及避免碰撞提供输入。该电路通常具有两个直流电源,一个为模拟雷达发射机和接收机电路模块供电的低噪声电源,一个用于逻辑和通信电路的常规电源。像摄像机子系统电源一样,雷达子系统电源也需要过电流保护,瞬态浪涌保护,反极性和ESD保护。
一组保护组件可以处理两个电源的过电流和反极性。同样,设计人员可以采用传统的表面贴装保险丝或PPTC自恢复保险丝。与两个电源的输入线串联的低正向肖特基二极管将防止电源和雷达子系统电路块的极性反接。设计人员应在输入处为每个电源提供电涌保护。
TVS二极管是推荐的电涌保护组件。它们可以吸收大量的瞬态功率,例如600 W持续1毫秒。这些二极管还可以吸收高达100 A的瞬态电流。设计人员根据瞬态功率额定值(低功率瞬态为400/600 W,大功率瞬态为1,500 / 7,000 W)选择TVS二极管。
波形发生器和模拟前端分别是雷达发射机和雷达接收机的一部分。它们与发送器和接收器块分开,因为发送器输出和接收器输入块上的保护组件会改变其发送和接收阻抗。保护元件可以保护尽可能多的电路。建议使用双极二极管阵列进行ESD保护。与保护相机子系统中的图像传感器的二极管阵列相似的组件将提供必要的ESD保护。高灵敏度模拟前端需要ESD保护,该保护不会干扰电路的低电平信号完整性。设计人员应考虑使用双极性聚合物ESD抑制器。ESD抑制器的电容低于0。
与摄像头子系统一样,雷达子系统将其信息发送到车辆中央处理子系统。双极二极管阵列为CAN I / O线的高端和低端均提供ESD保护。以太网收发器可以使用二极管阵列或聚合物ESD抑制器来最大程度地减少信号失真,并且不会影响以太网传输速率。
雷达系统对于自动驾驶车辆的安全,正确运行至关重要。就像摄像机系统一样,这组眼睛可以监控道路。保护其电路块免受外部环境的影响至关重要。
保护ADAS
信号处理,通信和控制子系统可操作车辆。这个主子系统必须是健壮,可靠和故障安全的。该电路必须对交通中的其他车辆做出反应,并在动物或人阻塞车辆行驶的道路时使其快速停车。子系统必须对故障传感器做出故障安全响应。向控制器提供信息的所有电路模块都需要防静电保护。
ADAS系统
ADAS通信和控制子系统。
与其他电源模块一样,ADAS电源也需要过电流保护,电涌保护和反极性保护。此电源的保险丝可以位于模块内,也可以位于车辆低压接线盒的更上游。选用TVS二极管作为其浪涌功率额定值,可防止浪涌瞬变。与电源输入线串联的肖特基二极管可提供反向电压极性保护。
每个通信链路都需要针对每个端口的性能和配置设计的ESD和瞬态保护。设计人员可以从各种各样的二极管阵列和聚合物ESD抑制器中进行选择,它们可以保护每个通信链路,而不会影响其数据速率或其高至低电压差。
直接连接至DSP电路块的任何信号线均应具有ESD和瞬态保护。设计人员可以使用二极管阵列或聚合物ESD抑制器,为高信号线和低信号线提供双极性保护。
ADAS通信和控制子系统是自动驾驶汽车的主要智能。至关重要的是,该子系统始终保持运行状态。所有ADAS输入和输出上的ESD保护将保护子系统免受ESD冲击的破坏,TVS二极管将防止电气和机电设备产生的浪涌瞬变。
自动驾驶安全合规标准
适用于汽车电子电气保护的三个重要标准。
设计者应了解车辆电子系统必须遵循的ISO标准。其中最重要的包括标准ISO7637-2,该标准定义了防止传导电瞬变的要求;标准ISO16750-2,描述了汽车电气和电子系统必须承受的环境压力;和标准ISO 10605:2008,该标准定义了汽车电子产品必须承受的ESD条件。熟悉这些标准可帮助设计人员避免进行昂贵且耗时的重新设计。
汽车工业已经为可在汽车电子电路中使用的组件定义了资格认证系统。通过一系列定义的机械,电气和环境应力测试(包括在较宽的温度范围内运行)的组件,可以指定为AEC-Q(汽车电子协会质量)。有许多“ Q”值,包括AEC-Q100,AEC-Q101和AEC-Q200。该鉴定系统确定必须进行的测试。使用AEC-Q合格组件可以加快汽车电子电路的审批流程。
为了将组件认证为汽车级,制造商通常必须做的事情不仅仅是证明组件通过一系列已定义的测试。制造商还应具有成文的生产零件批准程序(PPAP),以证明供应商可以在指定的生产率下制造组件以始终满足其质量要求。并且制造工厂应通过国际汽车工作组(IATF)61949的认证;基于ISO 9001的汽车质量体系。
简而言之,坚固,可靠的车辆电子系统将有助于使自动驾驶汽车在道路上固定。通过提供过流保护,瞬态浪涌保护,ESD保护和反极性保护,设计人员可以大大降低电路故障的风险。