创新IC助汽车远离车祸

在YouTube上有一段1959年的雪佛兰贝莱尔与慢速行驶的2009年雪佛兰迈锐宝相撞的精彩视频。结果令人惊奇，迈宝锐外观基本完好，而贝莱尔却已分崩离析，车内的碰撞用测试假人也惨遭不幸。显然，在过去50年中，对于车祸中幸存相关技术的研究取得了很大的进步。

诚然，我们直到最近才开始设计能够避免各种碰撞的电子系统(即使司机没有变得更加聪明)，例如基于激光雷达的自适应速度控制和带自动牵引力控制功能的侧翻感测。上述两种系统的实例以及在电气总线上如何实现更好的抛负载处理都清晰地表明了芯片设计人员在实现主动汽车安全系统方面的思路。

自适应速度控制

自适应速度控制系统的工作原理非常类似于我们使用了数十年的简单控制系统：驾驶员通过汽车巡航控制功能设置好想要的车速，随后汽车将保持这一车速，直到被人为中断。两者的区别表现在该车快要追上前一辆车速较慢的汽车之时。

在这种情况下，自适应速度控制会把该车的速度降低到设置值之下，以匹配前辆汽车的速度，同时保持安全距离。为实现这种安全等级，光线检测和距离检测(激光雷达)功能已经从过去警察用来追捕超速车辆的工具发展成了子系统，这种子系统能够检测其它车辆的存在，并测量本车与这些车辆之间的距离。

激光雷达子系统可以使用连续波(CW)或脉冲信号。连续波系统使用接收器中的相位比较器来检测发生相移的发射信号回波。相移指示了距离，而变化速率对应着接近速度。

脉冲系统通过计算短光脉冲的飞行时间(TOF)来判断与前辆汽车的距离和接近速度。通常对于汽车应用来说，连续波系统的实现成本太高，因此大多数激光雷达系统使用脉冲式激光。

这些系统的常用组件包括电源、电信号源、功率放大器、发射信号的发射器以及接收传感器、放大器、信号调节器和高速模数转换器(ADC)。通过ADC将接收到信号的数字化版本发送到缓冲存储器，然后由DSP、FPGA或微控制器恢复出数据以进行处理(图1)。德州仪器(TI)使用的ADC能够缓冲其自己的输出，因而允许在DSP或FPGA分析处理来自前一脉冲的数据之时关闭IC的数据转换部分。

图1：在自适应控制系统的激光雷达接收信号路径中的关键模拟元件包含为ADC提供动态范围和信号调整的方法。

可适应的汽车间距取决于激光输出功率、光束宽度与排列方式、大气特性(如大雾)、目标反射性能和接收器的灵敏度。

虽然激光驱动器设计相当简单，但接收器的设计有几项关键要求。例如，接收电路设计工程师可能会使用三种检测器中的任意一种：硅PIN检测器(“PIN”指的是半导体堆栈，是由P类、其自身和N类材料组成的三明治结构)、硅雪崩光电二极管(APD)或(可能性不大的)光电倍增管。APD提供了高速、高灵敏度和高可靠性的最佳组合。

假设使用的是APD，那么接收器件将从前一辆车反射回来的光脉冲转换成电流脉冲，再由跨阻放大器转换成电压脉冲。这里需要做出另一项设计决策。理想的跨阻放大器应该具有高增益、高输入阻抗、超低电压和电流噪声以及低输入电容。

在一个典型设计中，跨阻放大器的电压输出将被进一步放大，并且在ADC将其数字化之前还要做进一步的信号调节。为保证在不同车辆间距下的有效性，模拟前端(AFE)电路要求至少100dB的动态范围，这意味着需要使用某种可变增益放大器(VGA)作为最后一级模拟电路。另一项设计决策要考虑ADC输入是用差分还是单端形式，而这意味着在信号处理方式上信号链存在着可变性。

激光雷达接收器

TOF测量精度是影响车辆间距计算的最基本因素，它取决于激光点的脉冲宽度和ADC的速度与精度。在采样率方面，假设光速为c，那么最小采样率简单地计算为c除以要求的分辨率。

对于车用激光雷达来说，距离测量的精度要求大约是±3英尺。在这个前提下，所测量的车间距离必须考虑激光点的来回，即所需的测量分辨率应该是3英尺的两倍，即6英尺。设光速c等于每秒3× 108米(9.84×108英尺/秒)，那么最小ADC采样率必须等于(9.84×108)/6或163.9Msamples/s，这意味着采样间隔在6.1ns的数量级。

针对这类应用，TI的200Msample/s ADC08B200A ADC有一些有趣的特性，包括1kB的片上缓存。这款ADC还带一个片上时钟倍频器，因此可以用低至25MHz的外部时钟实现200Msamples/s采样率。[page]

在ADC中加入缓存意味着FPGA或DSP可以比带有缓存的产品更小，还能通过一个独立的FIFO减少材料清单。

集成前端和数据转换器

毫不令人奇怪的是，TI公司为激光雷达实现自适应速度控制提供了一个集成解决方案，即ADC08B200。除了ADC之外，ADC08B200还集成了时钟倍频器，因此允许使用低频时钟振荡器。时钟倍频器可以将输入时钟频率乘以1、2、4或8，因此使用低至25MHz的时钟源就能实现200Msample/s采样率。外部时钟源甚至可以与FPGA/DSP/微控制器使用的时钟相同。

此外，这款ADC的1kB缓存能够降低对FPGA、DSP或微控制器的速度和复杂性要求。该缓存能以最高不超过200MHz的任何速率读取，也可以旁路掉不用，在这种情况下，数据将以ADC采样率连续输出。在读取缓存时可以将转换器功能关闭以节省电能。

防止侧翻

ADI公司在汽车安全方面提供了多款不同类型的微机电系统(MEMS)器件。该公司在几十年前研制气囊系统的加速度计就开始这方面的研究了。今天，ADI的MEMS陀螺仪可以在汽车处于侧翻危险时通过调节刹车压力来防止某些类型的车祸。如果陀螺仪检测到汽车即将失控，差动制动器就会启动以将汽车带回到平直行驶状态。

这种陀螺仪系统还被用于GPS系统中的航位推测功能，该功能能够在临时失去卫星信号时继续提供定位信息。

据ADI公司透露，这款陀螺仪的电子和机械结构都集成在同一基板上。系统由一个机械传感器结构和两组电子元件组成。一组用于驱动发生科里奥利(Coriolis)效应的谐振器结构中的振动，另一组用于检测电容结构中由科里奥利力导致的位移。

更具体地讲，在这种MEMS陀螺仪中，有一个包含谐振块的框体通过弹簧连接到基板。在一个方向(本例中为上和下)上以谐振频率驱动这个谐振块，而弹簧的安装相对谐振运动呈90度。

在汽车行驶过程中，当谐振块远离旋转中心移动时，科里奥利效应将使它加速往右边移动，从而给框体施加一个向左的反作用力。当谐振块向旋转中心移动时，将产生一个向右的力。这种移动将改变电容结构中交叉感应的叉指间距离，从而导致电容容量的改变，并被读作角速度的变化(图2)。

图2：ADI的MEMS陀螺仪结构(a)包含了一个由弹簧支撑的谐振块和一个电容部件，在电容结构中，一块“板”(实际上是一组手指)固定在框体上，另一块随谐振块移动。当它在距运动中心的任意距离发生旋转时(b)，发生的角位移将在振动块上产生科里奥利效应，从而改变电容值。

电容是一种由许多叉指组成的平面结构。机电振荡器在其谐振点(约15kHz)驱动这个机械结构。

设计检测电路的挑战非常艰巨。实际谐振器的位移在10 μm数量级，但电容中的物理位移只有1埃数量级——大约相当于氢原子的尺寸。从电气角度看，这种位移导致的实际电容变化量约为90aF(attoFarad)。但噪声的存在意味着电路必须能够处理约16费米(16×10-15米)移动产生的约12zF(zeptoFarad)电容容量变化。

虽然许多读者对几乎每个科学博物馆大厅中都会看到的旋转陀螺和傅科摆(Foucault pendulums)中的科里奥利效应都非常熟悉，但描述这些器件时只能简单地说，“就像微型傅科摆一样。”ADI公司在其线性电路设计手册中详细解释了这一过程。

陀螺仪用于测量角速度，即物体旋转得有多快。以合适的空间角度组合三个陀螺仪可以提供三维的角运动信息：偏航角、倾斜度和摇摆度。

MEMS陀螺仪的灵敏度测量单位是每秒每度毫伏(mV/°/s)。例如ADI公司的模拟器件ADXRS300，其额定灵敏度是5mV/°/s，在满量程输入300°/s条件下输出为1.5V。ADI公司更加复杂的产品可以集成3个轴，并提供具有自校准功能的数字输出。

电容变化是非常微小的，这意味着噪声问题是一个艰巨的挑战。将包括放大器和滤波器在内的电路与机械传感器放置在同一裸片上很有必要，这样可以将以谐振器频率变化的差分信号依据相关性从噪声中提取出来。

一共有两种噪声源：随机的原子振动以及来自空气分子的撞击。奇怪的是，将电容结构裸露在空气中可以取得更好的性能，即使代价是会产生额外的随机噪声，因为空气相当于给内部结构加了一个防震的垫子。

ADI公司的某些陀螺仪利用了某种技巧来抑制高达1000g的冲击。它们使用两个谐振块以差分方式检测信号，并能抑制与角运动不相关的共模外部加速。

两个谐振块在机械上是独立的，并且驱动相位差180°。因此，它们测量相同的旋转幅度，但它们的输出是相反方向的。这样能抵消同时影响两个传感器的非旋转信号，并使得使用两个信号之差测量角速度成为可能。

电源总线上的瞬态干扰保护

自适应速度控制和侧翻保护都是安全方面的问题。但芯片制造商在汽车产品方面的创新已经延伸到了更加基本的系统，例如运行这些乘客保护电子器件的电源总线以及重要性较低的一些系统，包括信息娱乐和导航系统。

如何保护电源总线上的器件免受瞬时电压的干扰？问题看似简单，但设计实现起来并不容易。凌力尔特公司(Linear)的LTC6802和LTEC6803两款产品可用于监视混合动力和纯电动汽车(EV)的电池组中各节电池的性能，这些电池可以向汽车的牵引发动机提供数百伏的电压(图3)。

车载电池组是相对较新的产品，但仍存出一个老问题，不过最近该问题获得了一对新的解决方案，凌力尔特公司首席技术官Robert Dobkin透露。这些新的IC能够利用一种尺寸非常小的器件解决较大的电源总线瞬态干扰问题。[page]

自从半导体时代开启以来，汽车制造商就不得不穷于应付电压峰值问题。由于汽车增加了燃油喷射控制、安全气囊、卫星无线设备、GPS、ABS和牵引力控制等功能，因此这方面的问题有增无减。由于自动电子器件已经基本上掌控了车道控制、躲避行人和相对位置保持功能，那么当汽车在高速公路上飞驰时，保持干净的电源总线比以往任何时候都要迫切。

预防可能是最好的处理方式，但这更多的只是一种愿望，不一定能够实现。但不可避免的是，当电源在长的电缆上流过时，只要有负载跃变就会产生瞬态干扰。在长线缆上发生的瞬时负向电流变化将导致正向电压峰值。最可怕的事情是与被腐蚀的电池端子相关的“抛负载”。

众所周知，抛负载会产生高达125V的浪涌电压，并且这个电压将保持数百毫秒。汽车工程师协会(SAE)对于抛负载的特征描述包括：5ms的5mA上升时间，以及带有200ms时间常数的呈指数衰减下降时间。

从历史上看，工程师曾采用电容、瞬态电压抑制(TVS)二极管甚至熔丝来解决这个问题。但随着汽车内电子器件密度的提高，留给安装保护器件等分立元件的空间越来越小。

凌力尔特公司早已推出一款用于解决过压问题的有源器件。但正如Dobkin和他的高级设计人员在汽车制造商处与电源工程师的对话中讲到的那样，事情明摆着需要更好的器件。2007年，该公司发布了LT4356浪涌抑制器，工作电压范围从4V至80V，可以有效阻止输入引脚上出现的高达-60V的反向瞬态电压。

所有LT43xx系列器件都是针对汽车应用开发的线性稳压器，主要用来馈送像DC-DC转换器这样的外部器件。它们将能浪涌电压钳位到由外部分压电阻设定的值，同时保持不受浪涌电流的影响。凌力尔特最早的LT4356可以抑制超过100V的浪涌电压。它的关键点在于电流感测电阻的放置：位于外部旁路晶体管的上游(图4a)。如果器件要求阻止超过100V的瞬态电压，那就必须关闭过流保护功能。

图4：凌力尔特公司最早的LT4356(a)浪涌抑制器及后续产品LT4363(b)，可以将浪涌电压钳位到由外部分压电阻设定的值，同时自身不受浪涌的影响。LT4363将电流检测功能放置在旁路晶体管之后。

凌力尔特公司在两种新产品中实现了解决方案：带过流保护功能的LT4363高压浪涌抑制器以及LTC4366高压浮动浪涌抑制器。

对于熟悉LT4356的设计人员来说，LT4363只是简单地将过流感测功能移到了旁路FET的下游，不仅支持过流保护，同时还能承受大的瞬态电压(图4b)。但与LT4356一样，它的绝对最大额定值是100V。因此，它的输入端必须使用电阻和TVS二极管以阻止超过100V的瞬态高压。

LT4366更加令人感兴趣(图5)。它表明了在Dobkin这样的工程师重新考虑过去的思路时会发生什么。“如果我们允许器件采用浮动拓扑会怎么样？”Dobkin问自己。很显然，浮动器件可以用于连续工作在电压超过100V、要求防止甚至超过200V瞬态电压的系统中。

图5：凌力尔特的LT4366高压浮动型浪涌抑制器可实现与任何高压浪涌的隔离(a)。LT4366有三种工作模式(b)。在启动模式，经过RIN的涓流用于提供偏置，并通过给栅极充电启动电荷泵。随后电荷泵保持栅极电压高出源极电压12V。在调整模式中，上端反馈电阻上的压降保持在1.23V基准值。

在一个典型应用中，外部降压电阻允许该器件电压随电源上浮，从而隔离任何高压浪涌。这样，工作电压的上限仅取决于必需的大电阻以及可以处理稳压期间功耗的MOSFET。因为LTC4366不接地，因此与非浮动器件相比，它可以借助一些额外的功能处理高得多的瞬态电压。

LTC4366工作在三种不同模式：启动、运行、调整。

在启动模式，有15μA的涓流流经RIN。其中一半电流给栅极充电，另一半用于偏置电流。随着GATE引脚的不断充电，外部MOSFET将提升OUT引脚的电压，直到器件进入运行模式。这时，输出已经足够高到启动电荷泵。随后电荷泵就能用来满充栅极，使之比源极电压高出12V。[page]

为何凌力尔特公司要开发两款新器件？看起来似乎LTC4366是LT4356最合适的伙伴。但使用LTC4366也有不利的一面，即冷车启动，对于传统汽车中的大型内燃机用启动电机来说这是个问题。在非常寒冷的状态下，启动引擎时的压降可能将电池总线电压下拉到低至4V。在这种情况下，瞬态时间常数并不是问题，而是持续时间会有问题。

LT4356和LT4363的规格包括得到保证的4V至80V工作电压范围。当冷车启动在新设计中成为一个问题的时候，LT4363会更有优势。凌力尔特将在很多年内向旧的设计提供LT4356器件。

另一方面，LTC5366的工作范围从大于500V扩展到低至9V。在混合动力和纯电动汽车中，高得多的最大电压可能要好于稍高一些的最低电压。即使在传统的轿车和卡车中，更高冷车启动指标的影响也取决于供电的对象。LTC5366可能不适合发动机控制单元等部件，但对信息娱乐和GPS等应用来说，在电源总线上使用LTC5366是没有问题的。