羅姆發(fā)布車載電源樹參考設(shè)計(jì)白皮書

前言

近年來，隨著汽車事故預(yù)防措施和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對支持高等級(jí)安全要求（ASIL）的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的需求也與日俱增。自動(dòng)駕駛是指由搭載于汽車中的單元代替駕駛員執(zhí)行人類駕駛汽車的四個(gè)要素（通過耳朵和眼睛進(jìn)行“認(rèn)知”，通過大腦進(jìn)行“預(yù)測”和“判斷”，通過方向盤和油門進(jìn)行“操作”）的駕駛。要想實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)駕駛，需要準(zhǔn)確的感應(yīng)和及時(shí)的顯示和控制。因此，硬件中攝像頭和傳感器的使用數(shù)量呈增加趨勢，并且為了能夠準(zhǔn)確地告知情況，對信息娛樂系統(tǒng)也提出了多功能化要求。

在這種情況下，用于實(shí)現(xiàn)安全功能的單元還需要監(jiān)控內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，并注意因單元故障而導(dǎo)致的功能喪失情況。這也需要電子電路來監(jiān)控每個(gè)單元內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，這將使電子電路變得更復(fù)雜，使單元和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要投入的時(shí)間變得更長。

市場所需的參考設(shè)計(jì)

隨著車載單元數(shù)量的增加以及必須通過電子電路實(shí)現(xiàn)的功能的增加，ADAS/信息娛樂系統(tǒng)外圍單元的電子電路需要進(jìn)行以下復(fù)雜的設(shè)計(jì)：

●   隨著攝像頭和傳感器數(shù)量的增加，需要安裝的電子元器件數(shù)量也在增加，需要供給的電源軌也變得越來越復(fù)雜，因此需要在成本、尺寸和特性方面進(jìn)行優(yōu)化組合。

●   由于不能犧牲續(xù)航里程，因此就需要高效率的電源系統(tǒng)。

●   由于除了功能設(shè)計(jì)之外還存在其他設(shè)計(jì)元素（例如CISPR25 Class5的噪聲標(biāo)準(zhǔn)），因此不僅需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品本身，還需要設(shè)計(jì)整個(gè)車載單元。

●   要改進(jìn)單元和系統(tǒng)的安全功能，就需要能夠監(jiān)控電源軌、檢測電子電路故障并將相應(yīng)信息傳輸給CPU的功能。

為了滿足此類市場需求，ROHM開發(fā)了滿足單元設(shè)計(jì)所需設(shè)計(jì)元素的參考設(shè)計(jì)，并開始公開設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

參考設(shè)計(jì)“REFRPT001”的概要

此次介紹的 參考設(shè)計(jì)“REFRPT001” 的概要如下：

●   配備8個(gè)系統(tǒng)的電源功能，涵蓋 ADAS / 信息娛樂 功能所需的電源軌。

●   一次^(*1)DC/DC轉(zhuǎn)換器IC采用“BD9P系列”，即使輸入電壓低于設(shè)定的輸出電壓（例如電池啟動(dòng)時(shí)），也可以穩(wěn)定地供電。

●   二次^(*1)DC/DC轉(zhuǎn)換器IC采用“BD9S系列”，該系列產(chǎn)品具有超小型和超高效的特點(diǎn)。

●   電源監(jiān)控IC采用“BD39040MUF-C”，可以監(jiān)控全部8個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓，并具備IC自我診斷功能，有助于提高功能安全等級(jí)。

●   已完成系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證

-   已完成標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

●   主要IC均支持功能安全“FS supportive^(*2)”。

參考設(shè)計(jì)“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(gè)系統(tǒng)的一次DC/DC轉(zhuǎn)換器“ BD9P系列”分別分支出4個(gè)系統(tǒng)輸出，并為SoC、MCU和CAN設(shè)備供電。另外，由于8個(gè)系統(tǒng)的輸出電源軌均由電源監(jiān)控IC負(fù)責(zé)監(jiān)控，因此有助于提高功能安全系統(tǒng)的等級(jí)。

圖1 參考板“REFRPT001-EVK-001”的外觀圖

圖2 參考設(shè)計(jì)“REFRPT001”的框圖

接下來是作為評(píng)估數(shù)據(jù)而公開的EMC測試結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，即使讓整個(gè)參考板運(yùn)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(dǎo)噪聲（圖5）均符合CISPR25 Class5標(biāo)準(zhǔn)。在PCB上還預(yù)先預(yù)備了用于增加噪聲特性余量的輸入濾波器安裝圖案，因此還可以針對會(huì)對整個(gè)單元的改進(jìn)工作具有重大影響的EMC問題采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(dǎo)噪聲

全力支持客戶設(shè)計(jì)的內(nèi)容和工具

針對 參考設(shè)計(jì)“REFRPT001” ，已經(jīng)在ROHM官網(wǎng)上公開了以下數(shù)據(jù)作為支持客戶設(shè)計(jì)的開發(fā)工具（內(nèi)容和工具）。

●   參考框圖 / 參考電路圖 / 零部件清單（BOM）

●   PCB信息 / Gerber數(shù)據(jù)

●   測試報(bào)告（電氣特性、EMC特性、熱特性）

●   免費(fèi)的在線仿真工具（參考設(shè)計(jì)的部分電路）

●   所搭載產(chǎn)品的SPICE模型

●   所搭載產(chǎn)品的CAD工具用符號(hào)＆引腳焊盤

●   所搭載產(chǎn)品的熱仿真用熱模型

另外，如上所述，還可以使用 ROHM Solution Simulator ^(*3)對本參考設(shè)計(jì)的部分電路進(jìn)行仿真。ROHM Solution Simulator是一款免費(fèi)的在線仿真工具，由于還提供包括外圍電路在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電路，因此無需準(zhǔn)備仿真電路和模型就可以輕松地進(jìn)行仿真。接下來介紹一個(gè)仿真示例。

圖6是2個(gè)系統(tǒng)電源樹的仿真示例，該電源樹為電池供電，一次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9P105”后段配備有二次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9S201”和LDO“BD00IA5M”。

圖6   2個(gè)系統(tǒng)電源樹的仿真電路(1)

圖7是3個(gè)系統(tǒng)電源樹的仿真示例，該電源樹為電池供電，一次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9P205”后段配備有各種二次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC。

圖7   3個(gè)系統(tǒng)電源樹的仿真電路(2)

融入先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，成就ROHM特色參考設(shè)計(jì)

將這些參考設(shè)計(jì)的開發(fā)工具和仿真用于ADAS/信息娛樂系統(tǒng)外圍單元的設(shè)計(jì)，可以節(jié)省部件選型的麻煩并可切實(shí)靠地進(jìn)行電路驗(yàn)證，從而可以大大減少單元設(shè)計(jì)的工時(shí)。

這次的特色參考設(shè)計(jì)由凝聚了先進(jìn)技術(shù)和功能的產(chǎn)品打造而成。

●   BD9P系列 （采用Nano Pulse Control?技術(shù)的產(chǎn)品^(*4)）

-   42V耐壓、車載一次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC系列（表１）

-   具有出色的高速響應(yīng)性能，可在電池啟動(dòng)后立即穩(wěn)定供電

-   具有展頻功能，低EMI（低噪聲）

表1 一次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9P系列”產(chǎn)品陣容

●    BD9S系列 支持功能安全“FS supportive”

-   車載二次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC系列（表２）

-   搭載有助于提高系統(tǒng)可靠性的輸出電壓監(jiān)控功能，并且可以設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間

-   超高效運(yùn)行

-   開關(guān)頻率2.2MHz(typ.)，不會(huì)干擾AM頻段

-   支持功能安全“FS supportive”

表2   二次DC/DC轉(zhuǎn)換器IC“BD9S系列”產(chǎn)品陣容

-   內(nèi)置自我診斷功能（BIST）且支持功能安全的電源監(jiān)控IC（圖8）

●   BD39040MUF-C

-   搭載可調(diào)看門狗定時(shí)器（Window型）以及過電壓監(jiān)測、欠壓監(jiān)測、復(fù)位功能

-   搭載自我診斷功能（BIST），不僅可監(jiān)控系統(tǒng)的電源軌，還可以檢測潛在故障

-   內(nèi)部基準(zhǔn)電壓電路和振蕩電路采用多路復(fù)用，故障概率顯著降低

-   支持功能安全“FS supportive”

-   3mm x 3mm小型封裝，可輕松改造系統(tǒng)

圖8 電源監(jiān)控IC“BD39040MUF-C”的特點(diǎn)

●   RBR3LAM60BTF

車載級(jí)（符合AEC-Q101）高可靠性，60V肖特基勢壘二極管。在本參考設(shè)計(jì)中，用作電池輸入端的防回流二極管。為了盡可能地減少二極管正向電壓（Vf）引起的電壓降，采用了Vf很低的RBR系列。

●   RV4C020ZPHZG

車載級(jí)（符合AEC-Q101）高可靠性，1.5V驅(qū)動(dòng)低導(dǎo)通電阻Pch MOSFET。底部電極封裝，但由于采用安裝可靠性更高的可潤濕側(cè)翼形狀，因此安裝后的視認(rèn)性更好。在本參考設(shè)計(jì)中，用作將3.3V系統(tǒng)分支的負(fù)載開關(guān)。

結(jié)語

未來ROHM將繼續(xù)開發(fā)先進(jìn)的產(chǎn)品和協(xié)助將這些產(chǎn)品應(yīng)用到應(yīng)用產(chǎn)品中的參考設(shè)計(jì)，為客戶所開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、小型化、降低發(fā)熱量、減少設(shè)計(jì)工時(shí)、提高功能安全等級(jí)貢獻(xiàn)力量。ROHM相信，繼續(xù)并持續(xù)地努力將會(huì)為汽車社會(huì)帶來安全與安心，并為世界各地的人們帶來更加豐富多彩的生活。

【術(shù)語集】

(*1) 一次、二次

在多級(jí)電源系統(tǒng)中，從電池等電源的角度，將負(fù)責(zé)第一級(jí)轉(zhuǎn)換的電路稱為“一次”，將連接至一次的輸出端的第二級(jí)轉(zhuǎn)換電路稱為“二次”。

(*2) FS supportive

為了在單元中實(shí)現(xiàn)功能安全，ROHM對每種產(chǎn)品可以提供的功能安全相關(guān)的文件進(jìn)行了分類，在組件級(jí)別支持功能安全。

(*3) ROHM Solution Simulator

在ROHM官網(wǎng)上運(yùn)行的免費(fèi)仿真工具。通過對接近應(yīng)用產(chǎn)品電路的電路解決方案（例如將SiC功率元器件和柵極驅(qū)動(dòng)IC組合在一起的電路）進(jìn)行仿真，可以大大減少設(shè)計(jì)和電路驗(yàn)證工時(shí)。

(*4) Nano Pulse Control?

Nano系列技術(shù)之一，ROHM開發(fā)的創(chuàng)新型電源技術(shù)。利用超高速脈沖控制技術(shù)，可以安全地在電源IC中實(shí)現(xiàn)非常大的降壓比，有助于降低系統(tǒng)的BOM成本。