智駕系統(tǒng)的設(shè)計瓶頸之：電源管理和功耗分配

高階自動駕駛系統(tǒng)在進行架構(gòu)設(shè)計時，其域控內(nèi)部的架構(gòu)通常涉及主控芯片MCU、計算芯片SOC、電源管理模塊芯片PMIC、加解串器、CAN收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)交換機等等。提到的這些設(shè)計要素從底層上并不只是簡單的進行了一定程度的硬件連接布線，而是從軟件的角度包含涉及的相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置、電源管理、存儲配置等都需要同步進行相應(yīng)的軟硬件模塊開發(fā)。其中， 電源配置和網(wǎng)絡(luò)啟動配置作為兩種比較重要的高階域控配置單元，一直是系統(tǒng)架構(gòu)師、硬件架構(gòu)師以及軟件架構(gòu)師需要攻克的部分設(shè)計內(nèi)容。

本文將以一種行業(yè)內(nèi)爆火的電源管理芯片PMIC所組建的典型的系統(tǒng)架構(gòu)為例來對電源管理方案進行詳細電源管理說明和網(wǎng)絡(luò)管理說明。其中包含兩個電源管理模塊PMIC（典型的TPS6594-Q1器件）之間的配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)以及具有獨立MCU和主電源軌的 DRA829V（TI 的DRA829V 是一款雙Arm? Cortex?-A72，四核Cortex?-R5F，8 端口以太網(wǎng)和4 端口PCIe 交換機。） 或 TDA4VM （智駕域控SOC處理器）。

TDA4系列芯片可作為一種經(jīng)典的低級別版本的超異構(gòu)芯片，其對應(yīng)的內(nèi)部處理器可作為主處理的獨立安全監(jiān)視器（MCU 安全島）資源，需要確保系統(tǒng)安全運行。MCU處理器需要保持最少的系統(tǒng)操控能力（又稱MCU Only 模式）以顯著降低處理器功耗，從而延長待機用例期間的電池壽命并降低組件溫度。

不同的智駕系統(tǒng)架構(gòu)電源管理Profile

當然，行業(yè)內(nèi)對于智駕系統(tǒng)芯片的使用程度和場景根據(jù)其應(yīng)用需求各不相同。作為初級版本的超異構(gòu)芯片，一般情況下，L2級別需要5 TOPS的算力，L3需要100+ TOPS的算力，L4為300+ TOPS。因此，低階駕駛輔助系統(tǒng)（L0~L2）通常采用單芯片如TDA4VM（8Tops+25KDMIPs）可以滿足對算力的整體需求。而對于次高階（L2+~L4）這樣的芯片的處理能力變顯得有些力不從心?？紤]當前整個業(yè)內(nèi)研發(fā)的重心多傾向于L2+這樣的系統(tǒng)。因此，本文所介紹的電源分配管理方案主要考慮多片SOC的情況，比如典型的TDA4 VH、8650等為例進行架構(gòu)說明。

如下圖表示了純異構(gòu)芯片架構(gòu)與超異構(gòu)芯片在電源控制邏輯中的差異。

從域控架構(gòu)設(shè)計上，超異構(gòu)芯片往往是所有計算資源都集中到一片芯片上進行，且該芯片也是基本上會對智駕域控中的所有相關(guān)聯(lián)的所有芯片（如加解串器、交換機、Can收發(fā)器、攝像頭控制端）進行驅(qū)動以及供電控制。因此，對于這類控制連接我們通常稱之為串聯(lián)式控制，即電源的控制鏈路通常由統(tǒng)一的PMIC對中央芯片進行統(tǒng)一管理。當然，如果考慮架構(gòu)低功耗的特點，也可能將該控制中央芯片的PMIC拆分成主從兩路分別進行控制。主路實現(xiàn)全功耗下的電源控制管理。從路則是實現(xiàn)當用戶有降功耗的需求情況下的單獨電源管理（比如只通過PMIC鏈路設(shè)置激活其中的內(nèi)部MCU Only模塊）。

而對于純異構(gòu)芯片智駕域控架構(gòu)來說，在進行電源樹設(shè)計時，則通常參照單片單控的方式，比如如果考慮MCU、SOC、GPU三類芯片如果集成到同一個系統(tǒng)架構(gòu)時，則通常是采用分離式電源控制方式，即各芯片電源單獨進行開閉控制。而像加解串器、CAN收發(fā)器這類芯片的電源啟閉控制則是根據(jù)用戶定制需求搭載單獨的電源控制模塊。比如考慮單獨對喚醒CAN進行電源控制，或者單獨對bypass的影像輸出控制進行電源控制。又如Switch這類芯片則可以單獨通過MCU來進行開閉控制。

智能駕駛系統(tǒng)基礎(chǔ)電源樹設(shè)計

如下圖表示了本文即將詳細介紹的智能駕駛系統(tǒng)電源樹結(jié)構(gòu)。該電源樹的前端供電整體有整車電源電池進行?？紤]到智駕系統(tǒng)對電源的巨大消耗，通常情況下，該供電電源是采用的高壓大電池供電模式。當然，在某些特殊情況下，也可以切換為小電池供電（比如對下電一定時間內(nèi)啟動的哨兵模式，或者新能源車在行駛后期激活的長續(xù)航模式）。另外，對于電源喚醒來說，也有不同的喚醒方式（ACC檔直接通過IG ON上電打火，CAN網(wǎng)絡(luò)喚醒報文注入，亦或者其他考慮需要對單獨啟動芯片喚醒工作的機制）。

整個上電管理流程涉及的初始DCDC降壓轉(zhuǎn)化，一般是對12V電池供電根據(jù)需求轉(zhuǎn)化為較低電壓，如5V、3.3V等電壓值供不同的芯片進行使用。比如TDA4要求3.3V供電，其他芯片需要5V電壓供電，那么只需要在接上PMIC電源管理模塊初始變壓后，便可以直接通過電壓分配控制對智駕系統(tǒng)主體運算芯片進行供電。當然也有一些芯片（如加解串器1.0V-1.8V、CAN收發(fā)器5V、以太網(wǎng)Switch1.0V-3.3V等）是需要在初始降壓配置后根據(jù)自身需求進行二次變壓處理Post DCDC。此外，由于智駕系統(tǒng)啟動和數(shù)據(jù)處理之間會有相互的依賴關(guān)系。通常情況是根據(jù)其處理數(shù)據(jù)源的不同，會考慮將中央運算芯片SOC/MCU作為對其余芯片的控制使能端。比如，SOC如果用于對視覺感知輸入源的數(shù)據(jù)處理，那么就需要在SOC與加解串器以及與直連的攝像頭直接供電的Power Switch之間設(shè)置控制連接線（如IIC線）作為使能線調(diào)節(jié)。此外，如果MCU作為毫米波雷達的數(shù)據(jù)處理終端（做軌跡規(guī)劃），其控制著對毫米波雷達數(shù)據(jù)的輸入和處理的中心任務(wù)，相應(yīng)的Can收發(fā)器的使能和電源控制可由智駕域控的MCU進行直接控制也可以直接接入車輛常電。

整個電源樹設(shè)計過程中，需要進行包含電壓反向設(shè)計Reverse Voltage、喚醒響應(yīng)設(shè)計WakeUp、穩(wěn)壓設(shè)計/變壓設(shè)計（DCDC、LDO、PMIC）、電源交換機設(shè)計Power Switch等。如下羅列了幾種典型的芯片選型及相應(yīng)的特征參數(shù)說明。

1）LDO（MPQ20051）：低壓差線性穩(wěn)壓器，可提供高達1A的電流和140mV的電壓。當輸入電壓為2.5V到5.5V時，其相應(yīng)的調(diào)整輸出電壓范圍從0.8V到5V。內(nèi)部 PMOS 傳輸元件允許130uA 的低接地電流，使MPQ20051適用于電池供電設(shè)備。其他功能包括低功耗關(guān)斷、短路和熱保護。

2）DCDC（MAX20074ATBA/V+）：表示降壓開關(guān)穩(wěn)壓器 IC。最低的汽車同步降壓控制器，在輕負載時僅使用3.5μA 的靜態(tài)電流。

3）DCDC（MPQ2166）：是一款內(nèi)部補償、雙路、PWM、同步、降壓穩(wěn)壓器，可在 2.7V 至 6V 輸入電壓下工作，并產(chǎn)生低至 0.6V 的輸出電壓。MPQ2166 可配置為 2A/2A 或 3A/1A 輸出電流調(diào)節(jié)器，由于靜態(tài)電流低至 60μA。MPQ2166 具有峰值電流模式控制和內(nèi)部補償，并且能夠進行低壓差配置。兩個通道都可以100%占空比運行，完整的保護功能包括逐周期電流限制和熱關(guān)斷。

4）PowerSwitch（MAX20086–MAX20089）：雙路/四路攝像頭電源保護器 IC 為其四個輸出通道中的每一個通道提供高達 600mA 的負載電流。

至于PMIC的芯片這里主要應(yīng)用了如下幾種，實現(xiàn)不同的電源管理控制。

5）PMIC（PF71）：這是專為高性能 i.MX 8 處理器設(shè)計的電源管理集成電路。它具有五個高效降壓轉(zhuǎn)換器和兩個線性穩(wěn)壓器，用于為處理器、內(nèi)存和其他外圍設(shè)備供電。內(nèi)置一次性可編程存儲器存儲關(guān)鍵的啟動配置，大大減少了通常用于設(shè)置輸出電壓和外部穩(wěn)壓器順序的外部組件。穩(wěn)壓器參數(shù)可在啟動后通過高速 I2C 進行調(diào)整，為不同的系統(tǒng)狀態(tài)提供靈活性。

6）PMIC（TPS6594-Q1）：TPS6594-Q1 作為一種電源管理芯片 IC ，具有 5 個 BUCK 和 4 個 LDO，在行業(yè)內(nèi)特別適用于智駕安全相關(guān)汽車應(yīng)用。器件可提供四個具有3.5A 輸出的靈活多相可配置 BUCK 穩(wěn)壓器單相電流，以及一個額外的 BUCK 穩(wěn)壓器具有2 A輸出電流。每個輸出都單獨受到電池短路、接地短路和過流情況的保護。這些 IC 采用 3V 至 5.5V 電源和 3V 至 15V 相機電源供電，輸入至輸出壓降在300mA 時僅為 110mV（典型值）。

7）Primary DCDC（MAX20098）：汽車類2.2MHz同步降壓控制器 IC，具有3.5μA IQ。該 IC 采用 3.5V 至 42V 的輸入電壓供電，并且可以在壓降條件下以 99% 的占空比運行。這種方式適用于具有中高功率要求且在寬輸入電壓范圍的情況下運行的應(yīng)用，例如在汽車冷啟動或發(fā)動機停止啟動條件下提供必要的電壓。該IC還提供時間同步信號 SYNC的輸出，使兩個控制器能夠并行運行。FSYNC 輸入可編程性支持三種頻率模式來優(yōu)化性能：強制固定頻率操作、具有超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時鐘的同步。該 IC 用于頻率調(diào)制的可編程擴頻選項時，可以最大限度地減少 EMI 干擾。

基于實例的電源網(wǎng)絡(luò)管理

本文通過詳細介紹雙PMIC（TPS6594-Q1）電源如何連接到典型的處理器和其他外圍組件用例，從而可以有效的支持電源分布式網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network，PDN）。電源網(wǎng)絡(luò)管理模塊PDN可根據(jù)其處理器的電力需求來實現(xiàn)主微處理核MCU和其余高運算能力芯片電壓資源的板級隔離。同時，利用這種板級電源隔離實現(xiàn)理想的產(chǎn)品功能體系結(jié)構(gòu)。

對于整個配電網(wǎng)絡(luò)PDN的設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：

①　PDN電源連接

②　PDN數(shù)字控制連接

③　主副PMIC默認內(nèi)部模塊管理NVM內(nèi)容

④　PMIC排序設(shè)置以支持高級處理器的不同PDN電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換

下圖顯示了雙 TPS6594-Q1的PMIC電源管理和處理器之間的電源映射，該種連接方式支持獨立 MCU 和主電源軌所需的電壓域。

如上圖所示，PDN 在輸入電源和PMIC之間需要有一個串聯(lián)的外部功率 FET。PMIC通過OVPGDRV 引腳實現(xiàn)FET前后的電壓監(jiān)控，當檢測到大于 6 V 的過壓事件時，F(xiàn)ET 可以在輸入電源上快速隔離 PMIC，以保護系統(tǒng)免受損壞。這包括來自的所有電源軌場效應(yīng)管輸出信號，F(xiàn)ET 上游連接的任何電源都不受過壓事件的保護。MCU和主要 I/O 域供電的負載開關(guān)，分立式降壓電源DDR 和為 EFUSE 供電的分立式穩(wěn)壓器LDO 都連接到了 FET 之后，這樣可以延長對這些處理器域和分立電源的過電壓保護能力。

此外，從如上圖所示的整個電源管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，還包含如下一些相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

在如上配置中，兩個 PMIC使用 3.3 V 輸入電壓。對于功能安全應(yīng)用，在VCCA之前有一個保護FET連接到主PMIC的OVPGDRV引腳，允許監(jiān)控PMIC的輸入電源電壓。VCCA電壓必須是施加到 PMIC 設(shè)備的第一個電壓，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通過負載開關(guān)為對應(yīng)PDN中的VIO_IN 供電。該負載開關(guān)還提供了VDDSHVx_MCU 處理器的電壓源，通過引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信號可以確保在MCU Only低功耗模式期間可以保持活動狀態(tài)，并在DDR做數(shù)據(jù)保存（也稱為掛起到 RAM）期間被禁用以降低PMIC功耗。

對于雙電壓I/O情況需要支持包含3.3V 和 1.8V兩種情況。使用一種具有邏輯高電平默認值的處理端 LDO可以通過GPIO控制信號將初始的電壓I/O值設(shè)置為3.3 V。處理器上電期間，引導(dǎo)加載程序SW 可以將 GPIO 信號設(shè)置為低電平，從而確保使用端根據(jù)需要選擇適當?shù)碾娖剑?.8 V）。同時，在未啟動 MCU 的情況下，PMIC可以控制 LDO1 電壓處理器在操作系統(tǒng)啟動期間與PMIC建立 I2C 通信。

這里我們可以舉例說明對一些超異構(gòu)芯片是如何實現(xiàn)MCU Only的控制邏輯。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在電源分布式網(wǎng)絡(luò) PDN 中使用是四個分立電源組件，其中三個是必需的，一個是可選的，具體取決于根據(jù)最終產(chǎn)品的特點。兩個TPS22965-Q1負載開關(guān)將 VCCA_3V3 電源軌連接到電源保護處理器 I/O 域。通常需要兩個負載開關(guān)才能實現(xiàn)隔離計算域NPU和實時域MCU，對每個模塊進行單獨控制，當然也可以在MCU Only低功耗操作的主處理器之間建立電源隔離。TPS62813-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器也可以為存儲單元 LPDDR4 SDRAM 組件提供所需的電源電壓（1.1V）。

從TPS6594-Q1 器件到處理器的其他連接GPIO線路也可以通過信號來提供錯誤監(jiān)控、處理器復(fù)位、處理器喚醒和系統(tǒng)低功耗模式。特定的 GPIO 引腳需要分配給特定的按鍵信號，這樣可以確保在只有少數(shù) GPIO 引腳的情況下保持正常運行在低功耗模式下。