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罗姆发布车载电源树参考设计白皮书

2020-12-02
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前言

近年来,随着汽车事故预防措施和自动驾驶技术的发展,对支持高等级安全要求(ASIL)的高级驾驶辅助系统(ADAS)的需求也与日俱增。自动驾驶是指由搭载于汽车中的单元代替驾驶员执行人类驾驶汽车的四个要素(通过耳朵和眼睛进行“认知”,通过大脑进行“预测”和“判断”,通过方向盘和油门进行“操作”)的驾驶。要想实现安全的自动驾驶,需要准确的感应和及时的显示和控制。因此,硬件中摄像头和传感器的使用数量呈增加趋势,并且为了能够准确地告知情况,对信息娱乐系统也提出了多功能化要求。


在这种情况下,用于实现安全功能的单元还需要监控内部运行状态,并注意因单元故障而导致的功能丧失情况。这也需要电子电路来监控每个单元内部的运行状态,这将使电子电路变得更复杂,使单元和系统设计需要投入的时间变得更长。


市场所需的参考设计


随着车载单元数量的增加以及必须通过电子电路实现的功能的增加,ADAS/信息娱乐系统外围单元的电子电路需要进行以下复杂的设计:


随着摄像头和传感器数量的增加,需要安装的电子元器件数量也在增加,需要供给的电源轨也变得越来越复杂,因此需要在成本、尺寸和特性方面进行优化组合。

由于不能牺牲续航里程,因此就需要高效率的电源系统。

由于除了功能设计之外还存在其他设计元素(例如CISPR25 Class5的噪声标准),因此不仅需要设计产品本身,还需要设计整个车载单元。

要改进单元和系统的安全功能,就需要能够监控电源轨、检测电子电路故障并将相应信息传输给CPU的功能。


为了满足此类市场需求,ROHM开发了满足单元设计所需设计元素的参考设计,并开始公开设计数据。


参考设计“REFRPT001”的概要


此次介绍的参考设计“REFRPT001”的概要如下:


◀ 配备8个系统的电源功能,涵盖ADAS/信息娱乐功能所需的电源轨。

◀ 一次(*1)DC/DC转换器IC采用“BD9P系列”,即使输入电压低于设定的输出电压(例如电池启动时),也可以稳定地供电。

◀ 二次(*1DC/DC转换器IC采用“BD9S系列”,该系列产品具有超小型和超高效的特点。

◀ 电源监控IC采用“BD39040MUF-C”,可以监控全部8个系统的输出电压,并具备IC自我诊断功能,有助于提高功能安全等级。

◀ 已完成系统级验证

已完成标准电气特性测试

已完成EMC测试(在没有输入滤波器的条件下,符合CISPR25 Class5要求)

已完成热测试(分散配置高效率DC/DC转换器IC,可分散热量)

所使用的IC和分立元器件均符合车载AEC-Q100和AEC-Q101标准。

主要IC均支持功能安全“FS supportive(*2)”。


参考设计“REFRPT001”的参考板“REFRPT001-EVK-001”的外观图(图1)和框图(图2)如下。假定条件:从2个系统的一次DC/DC转换器“BD9P系列”分别分支出4个系统输出,并为SoC、MCU和CAN设备供电。另外,由于8个系统的输出电源轨均由电源监控IC负责监控,因此有助于提高功能安全系统的等级。


图1. 参考板“REFRPT001-EVK-001”的外观图


图2. 参考设计“REFRPT001”的框图


接下来是作为评估数据而公开的EMC测试结果。从测试结果可以看出,即使让整个参考板运行,在没有输入滤波器的情况下,EMC辐射噪声(天线垂直)(图3)、辐射噪声(天线水平)(图4)和传导噪声(图5)均符合CISPR25 Class5标准。在PCB上还预先预备了用于增加噪声特性余量的输入滤波器安装图案,因此还可以针对会对整个单元的改进工作具有重大影响的EMC问题采取增加输入滤波器的措施。


图3. 辐射噪声(天线垂直)

图4.辐射噪声(天线水平)

图5.传导噪声

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全力支持客户设计的内容和工具


针对参考设计“REFRPT001”,已经在ROHM官网上公开了以下数据作为支持客户设计的开发工具(内容和工具)。



◁ 参考框图 / 参考电路图 / 零部件清单(BOM)

◁ PCB信息 / Gerber数据

◁ 测试报告(电气特性、EMC特性、热特性)

◁ 免费的在线仿真工具(参考设计的部分电路)

◁ 所搭载产品的SPICE模型

◁ 所搭载产品的CAD工具用符号&引脚焊盘

◁ 所搭载产品的热仿真用热模型




另外,如上所述,还可以使用ROHM Solution Simulator(*3)对本参考设计的部分电路进行仿真。ROHM Solution Simulator是一款免费的在线仿真工具,由于还提供包括外围电路在内的标准电路,因此无需准备仿真电路和模型就可以轻松地进行仿真。接下来介绍一个仿真示例。



图6是2个系统电源树的仿真示例,该电源树为电池供电,一次DC/DC转换器IC“BD9P105”后段配备有二次DC/DC转换器IC“BD9S201”和LDO“BD00IA5M”。(请点击这里查看仿真电路。需要注册“我的罗姆”。)


图6. 2个系统电源树的仿真电路(1)


图7是3个系统电源树的仿真示例,该电源树为电池供电,一次DC/DC转换器IC“BD9P205”后段配备有各种二次DC/DC转换器IC。(请点击这里查看仿真电路。需要注册“我的罗姆”。)


图7. 3个系统电源树的仿真电路(2)


将这些参考设计的开发工具和仿真用于ADAS/信息娱乐系统外围单元的设计,可以节省部件选型的麻烦并可切实靠地进行电路验证,从而可以大大减少单元设计的工时。


融入先进技术的产品

成就ROHM特色参考设计


这次的特色参考设计由凝聚了先进技术和功能的产品打造而成。


BD9P系列[采用Nano Pulse Control技术的产品(*4)

● 42V耐压、车载一次DC/DC转换器IC系列(表1)

● 具有出色的高速响应性能,可在电池启动后立即稳定供电

● 具有展频功能,低EMI(低噪声)

● 持功能安全“FS supportive”


表1. 一次DC/DC转换器IC“BD9P系列”产品阵容


● 车载二次DC/DC转换器IC系列(表2)

● 搭载有助于提高系统可靠性的输出电压监控功能,并且可以设置软启动时间

● 超高效运行

● 开关频率2.2MHz(typ.),不会干扰AM频段

● 支持功能安全“FS supportive”


表2. 二次DC/DC转换器IC“BD9S系列”产品阵容


● 内置自我诊断功能(BIST)且支持功能安全的电源监控IC(图8)

● 搭载可调看门狗定时器(Window型)以及过电压监测、欠压监测、复位功能

● 搭载自我诊断功能(BIST),不仅可监控系统的电源轨,还可以检测潜在故障

● 内部基准电压电路和振荡电路采用多路复用,故障概率显着降低

● 支持功能安全“FS supportive”

● 3mm x 3mm小型封装,可轻松改造系统


图8. 电源监控IC“BD39040MUF-C”的特点


车载级(符合AEC-Q101)高可靠性,60V肖特基势垒二极管。在本参考设计中,用作电池输入端的防回流二极管。为了尽可能地减少二极管正向电压(Vf)引起的电压降,采用了Vf很低的RBR系列。


车载级(符合AEC-Q101)高可靠性,1.5V驱动低导通电阻Pch MOSFET。底部电极封装,但由于采用安装可靠性更高的可润湿侧翼形状,因此安装后的视认性更好。在本参考设计中,用作将3.3V系统分支的负载开关。


结语

未来ROHM将继续开发先进的产品和协助将这些产品应用到应用产品中的参考设计,为客户所开发的系统实现节能、小型化、降低发热量、减少设计工时、提高功能安全等级贡献力量。ROHM相信,继续并持续地努力将会为汽车社会带来安全与安心,并为世界各地的人们带来更加丰富多彩的生活。

术语集

(*1) 一次、二次

在多级电源系统中,从电池等电源的角度,将负责第一级转换的电路称为“一次”,将连接至一次的输出端的第二级转换电路称为“二次”。

(*2) FS supportive

为了在单元中实现功能安全,ROHM对每种产品可以提供的功能安全相关的文件进行了分类,在组件级别支持功能安全。


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(*3) ROHM Solution Simulator

在ROHM官网上运行的免费仿真工具。通过对接近应用产品电路的电路解决方案(例如将SiC功率元器件和栅极驱动IC组合在一起的电路)进行仿真,可以大大减少设计和电路验证工时。


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(*4) Nano Pulse Control

Nano系列技术之一,ROHM开发的创新型电源技术。利用超高速脉冲控制技术,可以安全地在电源IC中实现非常大的降压比,有助于降低系统的BOM成本。


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※Nano Pulse Control是ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。


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