羅姆發布車載電源樹參考設計白皮書

前言

近年來,隨著汽車事故預防措施和自動駕駛技術的發展,對支持高等級安全要求(ASIL)的高級駕駛輔助系統(ADAS)的需求也與日俱增。自動駕駛是指由搭載於汽車中的單元代替駕駛員執行人類駕駛汽車的四個要素(通過耳朵和眼睛進行「認知」,通過大腦進行「預測」和「判斷」,通過方向盤和油門進行「操作」)的駕駛。要想實現安全的自動駕駛,需要準確的感應和及時的顯示和控制。因此,硬體中攝像頭和傳感器的使用數量呈增加趨勢,並且為了能夠準確地告知情況,對信息娛樂系統也提出了多功能化要求。

在這種情況下,用於實現安全功能的單元還需要監控內部運行狀態,並注意因單元故障而導致的功能喪失情況。這也需要電子電路來監控每個單元內部的運行狀態,這將使電子電路變得更複雜,使單元和系統設計需要投入的時間變得更長。

市場所需的參考設計

隨著車載單元數量的增加以及必須通過電子電路實現的功能的增加,ADAS/信息娛樂系統外圍單元的電子電路需要進行以下複雜的設計:

✱隨著攝像頭和傳感器數量的增加,需要安裝的電子元器件數量也在增加,需要供給的電源軌也變得越來越複雜,因此需要在成本、尺寸和特性方面進行優化組合。

✱由於不能犧牲續航裡程,因此就需要高效率的電源系統。

✱由於除了功能設計之外還存在其他設計元素(例如CISPR25 Class5的噪聲標準),因此不僅需要設計產品本身,還需要設計整個車載單元。

✱要改進單元和系統的安全功能,就需要能夠監控電源軌、檢測電子電路故障並將相應信息傳輸給CPU的功能。

為了滿足此類市場需求,ROHM開發了滿足單元設計所需設計元素的參考設計,並開始公開設計數據。

參考設計「REFRPT001」的概要

此次介紹的參考設計「REFRPT001」(https://www.rohm.com.cn/reference-designs/refrpt001)的概要如下:

✱配備8個系統的電源功能,涵蓋ADAS/信息娛樂(https://www.rohm.com.cn/solution/automotive/infotainment-and-cluster)功能所需的電源軌。

✱一次(*1)DC/DC轉換器IC採用「BD9P系列」,即使輸入電壓低於設定的輸出電壓(例如電池啟動時),也可以穩定地供電。

✱二次(*1)DC/DC轉換器IC採用「BD9S系列」,該系列產品具有超小型和超高效的特點。

✱電源監控IC採用「BD39040MUF-C」,可以監控全部8個系統的輸出電壓,並具備IC自我診斷功能,有助於提高功能安全等級。

✱已完成系統級驗證

-已完成標準電氣特性測試

-已完成EMC測試(在沒有輸入濾波器的條件下,符合CISPR25 Class5要求)

-已完成熱測試(分散配置高效率DC/DC轉換器IC,可分散熱量)

所使用的IC和分立元器件均符合車載AEC-Q100和AEC-Q101標準。

主要IC均支持功能安全「FS supportive(*2)」。

參考設計「REFRPT001」的參考板「REFRPT001-EVK-001」的外觀圖(圖1)和框圖(圖2)如下。假定條件:從2個系統的一次DC/DC轉換器「BD9P系列」分別分支出4個系統輸出,並為SoC、MCU和CAN設備供電。另外,由於8個系統的輸出電源軌均由電源監控IC負責監控,因此有助於提高功能安全系統的等級。

圖1. 參考板「REFRPT001-EVK-001」的外觀圖

圖2. 參考設計「REFRPT001」的框圖

接下來是作為評估數據而公開的EMC測試結果。從測試結果可以看出,即使讓整個參考板運行,在沒有輸入濾波器的情況下,EMC輻射噪聲(天線垂直)(圖3)、輻射噪聲(天線水平)(圖4)和傳導噪聲(圖5)均符合CISPR25Class5標準。在PCB上還預先預備了用於增加噪聲特性餘量的輸入濾波器安裝圖案,因此還可以針對會對整個單元的改進工作具有重大影響的EMC問題採取增加輸入濾波器的措施。

圖3. 輻射噪聲(天線垂直)

圖4.輻射噪聲(天線水平)

圖5.傳導噪聲

全力支持客戶設計的內容和工具

針對參考設計「REFRPT001」(https://www.rohm.com.cn/reference-designs/refrpt001),已經在ROHM官網上公開了以下數據作為支持客戶設計的開發工具(內容和工具)。

參考框圖 / 參考電路圖 / 零部件清單(BOM)

PCB信息 / Gerber數據

測試報告(電氣特性、EMC特性、熱特性)

免費的在線仿真工具(參考設計的部分電路)

所搭載產品的SPICE模型

所搭載產品的CAD工具用符號&引腳焊盤

所搭載產品的熱仿真用熱模型

另外,如上所述,還可以使用ROHMSolutionSimulator(*3)(https://www.rohm.com.cn/solution-simulator)對本參考設計的部分電路進行仿真。ROHMSolutionSimulator是一款免費的在線仿真工具,由於還提供包括外圍電路在內的標準電路,因此無需準備仿真電路和模型就可以輕鬆地進行仿真。接下來介紹一個仿真示例。

圖6是2個系統電源樹的仿真示例,該電源樹為電池供電,一次DC/DC轉換器IC「BD9P105」後段配備有二次DC/DC轉換器IC「BD9S201」和LDO「BD00IA5M」。(請點擊這裡https://www.rohm.com.cn/login?redirect=/solution-simulator/adas_info-display_application-1查看仿真電路。需要註冊「我的羅姆」。)

圖6.  2個系統電源樹的仿真電路(1)

圖7是3個系統電源樹的仿真示例,該電源樹為電池供電,一次DC/DC轉換器IC「BD9P205」後段配備有各種二次DC/DC轉換器IC。

(請點擊這裡 https://www.rohm.com.cn/login?redirect=/solution-simulator/adas_info-display_application-2查看仿真電路。需要註冊「我的羅姆」。)

圖7.  3個系統電源樹的仿真電路(2)

將這些參考設計的開發工具和仿真用於ADAS/信息娛樂系統外圍單元的設計,可以節省部件選型的麻煩並可切實靠地進行電路驗證,從而可以大大減少單元設計的工時。

融入先進技術的產品,成就ROHM特色參考設計

這次的特色參考設計由凝聚了先進技術和功能的產品打造而成。

BD9P系列(https://www.rohm.com.cn/products/power-management/switching-regulators/integrated-fet/buck-converters-synchronous/information)(採用NanoPulse Control TM技術的產品(*4))

-42V耐壓、車載一次DC/DC轉換器IC系列(表1)

-具有出色的高速響應性能,可在電池啟動後立即穩定供電

-具有展頻功能,低EMI(低噪聲)

-支持功能安全「FS supportive」

表1. 一次DC/DC轉換器IC「BD9P系列」產品陣容

BD9S系列

(https://www.rohm.com.cn/products/power-management/switching-regulators?SearchWord=bd9s)

-車載二次DC/DC轉換器IC系列(表2)

-搭載有助於提高系統可靠性的輸出電壓監控功能,並且可以設置軟啟動時間

-超高效運行

-開關頻率2.2MHz(typ.),不會干擾AM頻段

-支持功能安全「FS supportive」

表2. 二次DC/DC轉換器IC「BD9S系列」產品陣容

BD39040MUF-C(https://www.rohm.com.cn/products/power-management/voltage-detectors/watchdog-timeout/bd39040muf-c-product)

-內置自我診斷功能(BIST)且支持功能安全的電源監控IC(圖8)

-搭載可調看門狗定時器(Window型)以及過電壓監測、欠壓監測、復位功能

-搭載自我診斷功能(BIST),不僅可監控系統的電源軌,還可以檢測潛在故障

-內部基準電壓電路和振蕩電路採用多路復用,故障概率顯著降低

-支持功能安全「FS supportive」

-3mm x 3mm小型封裝,可輕鬆改造系統

圖8. 電源監控IC「BD39040MUF-C」的特點

RBR3LAM60BTF(https://www.rohm.com.cn/products/diodes/schottky-barrier-diodes/automotive/rbr3lam60btf-product)

車載級(符合AEC-Q101)高可靠性,60V肖特基勢壘二極體。在本參考設計中,用作電池輸入端的防回流二極體。為了儘可能地減少二極體正向電壓(Vf)引起的電壓降,採用了Vf很低的RBR系列。

RV4C020ZPHZG(https://www.rohm.com.cn/products/mosfets/automotive/single-pch/rv4c020zphzg-product)

車載級(符合AEC-Q101)高可靠性,1.5V驅動低導通電阻Pch MOSFET。底部電極封裝,但由於採用安裝可靠性更高的可潤溼側翼形狀,因此安裝後的視認性更好。在本參考設計中,用作將3.3V系統分支的負載開關。

結語

未來ROHM將繼續開發先進的產品和協助將這些產品應用到應用產品中的參考設計,為客戶所開發的系統實現節能、小型化、降低發熱量、減少設計工時、提高功能安全等級貢獻力量。ROHM相信,繼續並持續地努力將會為汽車社會帶來安全與安心,並為世界各地的人們帶來更加豐富多彩的生活。

【術語集】

(*1) 一次、二次

在多級電源系統中,從電池等電源的角度,將負責第一級轉換的電路稱為「一次」,將連接至一次的輸出端的第二級轉換電路稱為「二次」。

(*2) FS supportive

為了在單元中實現功能安全,ROHM對每種產品可以提供的功能安全相關的文件進行了分類,在組件級別支持功能安全。

如欲了解更多信息,請訪問https://www.rohm.com.cn/functional-safety

(*3) ROHM Solution Simulator

在ROHM官網上運行的免費仿真工具。通過對接近應用產品電路的電路解決方案(例如將SiC功率元器件和柵極驅動IC組合在一起的電路)進行仿真,可以大大減少設計和電路驗證工時。

如欲了解更多信息,請訪問https://www.rohm.com.cn/solution-simulator

(*4) Nano Pulse Control TM

Nano系列技術之一,ROHM開發的創新型電源技術。利用超高速脈衝控制技術,可以安全地在電源IC中實現非常大的降壓比,有助於降低系統的BOM成本。

如欲了解更多信息,請訪問https://www.rohm.com.cn/support/nano

※Nano Pulse Control TM是ROHM Co., Ltd.的商標或註冊商標。