面向智能駕駛控制器的電源系統(tǒng)變化分析綜述

于繼成 王強 趙目龍

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：電源 冗余 喚醒 大電流 時序 智能駕駛 控制器

1 前言

近年來，在智能駕駛技術(shù)的推動下，汽車向著更便捷、更安全、更舒適和更智能的方向發(fā)展。隨著智能軟件的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的提升，高精硬件傳感器的興起，以及機器人技術(shù)和人工智能領(lǐng)域取得的成就，非智能汽車的時代即將結(jié)束[1]?？v觀世界汽車，Tesla、谷歌Waymo、通用Cruse、Uber、寶馬、奧迪、大眾等，紛紛布局智能駕駛功能業(yè)務(wù)。同時，面向新的智能駕駛的海量數(shù)據(jù)交互的需求，各大車企主機廠紛紛開始設(shè)計新的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集成更多功能的域控制器呼應(yīng)而出。相應(yīng)的面向智能駕駛的域控制器的研發(fā)需求也日益增長。

在智能駕駛的發(fā)展中，除了智能駕駛控制器本身越來越復(fù)雜之外，新入局的智能駕駛芯片創(chuàng)業(yè)公司也帶來了新的平臺可選方案，如國內(nèi)的黑芝麻科技的華山系列芯片、地平線的征程系列芯片等，均對電源系統(tǒng)提出了新的需求。

本文將從智能駕駛控制器的新的電源系統(tǒng)需求的角度出發(fā)，深入挖掘文獻(xiàn)，總結(jié)了近年來智能駕駛控制器和電源技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀、技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢，闡述了新的電源系統(tǒng)選型的新方法，為智能駕駛控制器選型提供參考。

2 電源系統(tǒng)的變化分析

2.1 電源輸入冗余的變化

有別于傳統(tǒng)汽車單蓄電池供電的方案，在智能駕駛汽車上，在功能安全要求下，需要對電池進(jìn)行冗余備份來滿足供電系統(tǒng)的高可靠性要求，同時還要滿足智能駕駛控制器較大的功耗需求。在隨著汽車控制器越來越多，導(dǎo)致靜電流越來越大的情況下，對電池的容量同時也提出更高的需求。綜上所述，雙蓄電池供電成為當(dāng)前智能駕駛控制器較為實用的供電解決方案。雙電源供電輸入系統(tǒng)的冗余對蓄電池電壓狀態(tài)的檢測及故障切換響應(yīng)時間有較高要求。圖1為常見的雙電池供電輸入系統(tǒng)。

圖1 雙電池供電冗余系統(tǒng)示意

2.2 電源喚醒方案的變化

2.2.1 電源喚醒概述

控制器喚醒的方案分為2 類，第1 類是喚醒源接在電源網(wǎng)絡(luò)開關(guān)上，第2類是喚醒源接在主控芯片的喚醒引腳上。接在電源網(wǎng)絡(luò)上的喚醒方案往往比接在主控芯片上的喚醒方案具有更低的靜電流，本章節(jié)主要討論基于接在電源網(wǎng)絡(luò)上的喚醒方式。

在傳統(tǒng)車載控制器產(chǎn)品中，喚醒方案主要是通過鑰匙門喚醒、CAN總線喚醒以及LIN總線喚醒。在智能駕駛控制器的喚醒方案中除上述喚醒源之外，還增加了以太網(wǎng)的喚醒功能及RTC 定時喚醒的功能。喚醒源連接關(guān)系詳見圖2。

圖2 電源系統(tǒng)喚醒源示意

2.2.2 以太網(wǎng)喚醒

當(dāng)前車載以太網(wǎng)芯片公司主要為美國的博通公司（Broadcom）、邁威公司（Marvell）和臺灣的瑞昱公司（Realtek）。上述公司的車載以太網(wǎng)交換芯片，包含Switch 芯片和 PHY 芯片均支持 OPEN 聯(lián)盟的 TC10 以太網(wǎng)喚醒及休眠標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

傳統(tǒng)的CAN、LIN喚醒的供電電源使用KL30常電供電，在系統(tǒng)休眠后，當(dāng)有喚醒報文時候，可通過喚醒專用的INH引腳輸出高電平，從而喚醒系統(tǒng)重新上電工作，并且INH 的電壓范圍與KL30 的電壓范圍一致。以太網(wǎng)喚醒的原理與傳統(tǒng)CAN喚醒原理相近，但是對于INH的喚醒輸出信號的電平，Realtek的以太網(wǎng)交換芯片的喚醒輸出INH 的有效電壓范圍與常電供電KL30 一致，而邁威的以太網(wǎng)芯片的INH 輸出則不盡相同，詳見表1。

表1 邁威交換芯片喚醒INH信號有效電壓統(tǒng)計表

如表1 所示，邁威的88Q5072 的喚醒信號INH 為OD 輸出，雖然可以靈活的與不同電平范圍的喚醒接口進(jìn)行匹配，但是其自身不具備高電平輸出的能力，在電源喚醒設(shè)計中需要額外注意。另外，通過88Q5050 及 88Q2122 的 INH 參數(shù)可見，其喚醒高電平范圍較低，在設(shè)計應(yīng)用是需注意接口電平的匹配。

2.2.3 RTC定時喚醒

在智能駕駛控制器方案中，還用到了RTC定時喚醒方案。關(guān)于采用RTC喚醒的電源方案，電源系統(tǒng)要向RTC功能模塊進(jìn)行常電電源供電，常見需求是低電壓供電1.8 V 或者0.8 V，選擇電源轉(zhuǎn)換芯片時候需要選擇具有低靜電流的電壓轉(zhuǎn)換芯片，要求轉(zhuǎn)換芯片的靜電流控制在10 μA以內(nèi)。

2.3 電源電壓種類增加的變化

傳統(tǒng)汽車控制器，以12 V 系統(tǒng)為例，系統(tǒng)電壓種類較為簡單，電源設(shè)計主要圍繞著將整車電氣系統(tǒng)電壓的“12 V”轉(zhuǎn)換至模塊內(nèi)部邏輯處理電路的“5 V”或“3.3 V 系統(tǒng)”[2]，而智能駕駛控制器中的電壓種類繁多，為了滿足智能駕駛系統(tǒng)內(nèi)AI 芯片、以太網(wǎng)交換芯片、高速存儲芯片、視頻編解碼芯片的供電要求，電源系統(tǒng)的供電電壓種類通常包含0.6 V、0.8 V、0.85 V、0.9 V、1 V、1.05 V、1.1 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3V、5 V、8 V等等，面對如此多的電壓供電種類，依然采用類似于傳統(tǒng)控制器電源系統(tǒng)的，分別通過單個電壓轉(zhuǎn)換芯片（DCDC或者LDO）來實現(xiàn)顯然不是最理想的解決方案，不僅電路板上充滿了電源芯片，占據(jù)了大量的PCB空間，帶來的電磁兼容問題及成本問題都是不能接受的。

在智能駕駛控制器所帶來的如此多電壓種類的問題，比較優(yōu)良的解決方案是采用具有多路輸出的車規(guī)級電源管理芯片，也稱為PMIC。該類芯片的特點是集成度高、輸出電壓精準(zhǔn)，但是也要根據(jù)不同的電源系統(tǒng)要求選擇最為合適的PMIC。

2.4 小電壓、大電流的特殊供電需求變化

智能駕駛控制器中的AI 芯片的內(nèi)核主頻越來越高、處理能力越來越強大，芯片廠家在提高芯片處理能力的同時，電流的需求也越來越高。以FPGA 為AI主處理芯片的應(yīng)用中，在算法沒有完全優(yōu)化的情況下，內(nèi)核供電0.85 V的電源軌道對電流的需求可能達(dá)到20 A左右，在智能駕駛AI芯片的應(yīng)用中，某ASIC專用AI 感知處理芯片，其內(nèi)核供電0.8 V 電流需求約為18 A左右。

在智能駕駛控制器中，內(nèi)核的供電對低電壓、小電流的需求突出，除此之外還有DDR、以太網(wǎng)交換芯片及以太網(wǎng)PHY 芯片都有低電壓、大電流需求，比內(nèi)核供電電流（通常為10 A以上）要小很多，但至少也需要達(dá)到1 A以上的電流需求。

面向小電壓、大電流、滿足車規(guī)要求的電源解決方案當(dāng)前非常少，僅有少數(shù)廠家的幾款電源芯片能夠滿足使用要求，可選用的范圍十分窄。

2.5 電源系統(tǒng)新增復(fù)雜時序供電的需求變化

智能駕駛控制器中的核心是諸如FPGA、GPU、ASIC、SoC等AI處理芯片，芯片內(nèi)部高度集成，通常包含有CPU核、GPU核、AI硬件加速單元、豐富的通訊接口、存儲接口、視頻接口等，電源軌道往往多達(dá)數(shù)十路，不同電源軌道之間由以前電壓不同的一維需求角度變化為電壓等級不同、上電時序不同的二維需求角度。供電的需求變化存在以下變化：2 個電源軌道有相同的電壓需求，但是上電時序要求不同，此時就必須提供2路不同時序的電源軌道以滿足2者時序上的要求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)需求的電源軌道路數(shù)大幅增加。在做電源需求分析時候就要比以往的需求分析多了時序這個分析維度。

時序控制方式歸納起來有4種。

（1）級聯(lián)上電的時序控制，即用上一級電源芯片的輸出PGOOD 信號控制下一級定遠(yuǎn)芯片的使能EN引腳。缺點是受限于各個電源芯片的固定的軟啟動時間，無法靈活的控制整個系統(tǒng)各個電源軌道間的時序間隔。此外，系統(tǒng)會引入非常多的電源芯片，對PCB空間及成本都帶來比較大的負(fù)面影響。

（2）加入一個電源系統(tǒng)的上電管理控制MCU，通過MCU 對各個電源芯片的使能進(jìn)行控制，雖然解決了能夠靈活控制整個系統(tǒng)各個電源軌道之間的時序間隔，保證上電時序的穩(wěn)定可靠，但是電源芯片數(shù)量及成本都比較大。

（3）有一部分比較有實力的AI 芯片廠家，他們會針對自己的芯片與電源廠家做定制的專用的電源供電芯片，定制的電源芯片與AI 芯片之間有著最優(yōu)的電壓及時序2 方面的契合度。這種方案無疑是一種高效的、省力的、低成本的方案。但是并非所有的AI芯片都有專用的電源芯片可用，這是高級的AI 芯片廠家的1種做法，這種專用供電電源芯片有很大的應(yīng)用局限性。

（4）通過OTP 技術(shù)對具有多路電源輸出的PMIC進(jìn)行硬件固化編程控制輸出，既可以對輸出電壓進(jìn)行靈活編程配置、也可以對時序進(jìn)行靈活的編程配置，這種編程是指在芯片出廠前通過OTP 技術(shù)固化燒錄在PMIC內(nèi)部，拿到客戶手中是1個由客戶定制的電源系統(tǒng)級別的供電及時序解決方案，目前市場上已經(jīng)有滿足車規(guī)級的可以O(shè)TP編程控制輸出的電源PMIC芯片可供選擇，這種方案的優(yōu)點是集成化高，單片支持10路以上的電源軌道輸出，且時序可擺脫對上述第3種電源方案中的軟件程序的依賴，僅僅通過硬件就實現(xiàn)靈活的精準(zhǔn)的供電輸出控制，而且成本也能得到較好的保證。

3 智能駕駛控制器電源系統(tǒng)需求分析

電源系統(tǒng)的需求分析是電源設(shè)計的第1 步，除了面向系統(tǒng)層面的需求分析，包括電源工作電壓范圍的定義、控制器工作功耗及靜電流的需求、CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊工作電壓需求、喚醒需求以及EMC 測試需求、電性能試驗需求等。在面向控制器內(nèi)部的IC 器件供電需求上面，需要從供電電壓大小、電壓精度要求、供電電流大小、紋波電流要求、數(shù)字供電與模擬供電的需求區(qū)分、電源軌道之間的時序要求等。面向智能駕駛控制器的電源系統(tǒng)需要從這2 大方面進(jìn)行詳細(xì)的需求分析。

系統(tǒng)負(fù)載要求是對電源設(shè)計者提出的最大挑戰(zhàn)，同時也是開始設(shè)計電源之前必須弄明白的事情。隨著智能駕駛控制器系統(tǒng)數(shù)量的激增，每個系統(tǒng)都是獨一無二的，這也是電源需要進(jìn)行需求分析與設(shè)計的重要原因[3]。

4 總結(jié)與展望

以上對智能駕駛控制器電源系統(tǒng)各方面的變化分別作了詳盡的闡述，面對智能駕駛控制器開發(fā)所帶來的新的需求，設(shè)計師需對電源系統(tǒng)的變化點進(jìn)行詳細(xì)的分析與方案論證，以達(dá)到電源系統(tǒng)在功能上及性能上均滿足車用的要求。面對電源系統(tǒng)新的需求變化，為智能駕駛汽車電源設(shè)計提出挑戰(zhàn)，如何設(shè)計出合理的方案是各位智能駕駛工程師需要共同面對和解決的重要問題。

展望未來，在智能駕駛的科技發(fā)展浪潮下，經(jīng)過近百年的技術(shù)沉淀與發(fā)展，終于將要迎來智能駕駛時代的到來，智能駕駛控制器的研發(fā)有別于傳統(tǒng)控制的開發(fā)，僅僅從電源系統(tǒng)的討論就可以看出，不論是從喚醒方案、電源時序、電壓種類、電流大小都產(chǎn)生了新的變化。而為了滿足控制器在實車上各種嚴(yán)苛的工況下能夠穩(wěn)定可靠工作的需求，控制器電源系統(tǒng)的研發(fā)更是重中之重，而從整體識別出智能駕駛控制器的電源系統(tǒng)的變化，才能在控制器的開發(fā)中從容應(yīng)對。

對于控制器電源系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，本文有以下3點展望：

（1）隨著智能駕駛控制器功能安全的要求越來越嚴(yán)苛，電源系統(tǒng)的功能安全將越來越高，從QM級別將達(dá)到ASIL-D等級。

（2）隨著智能駕駛AI 芯片的算力及性能越來越高，電源系統(tǒng)中多種小電壓電源需求將越來越多。

（3）隨著智能駕駛AI芯片的內(nèi)核數(shù)量及工作主頻的升高，內(nèi)核供電的電壓將越來越低，而電流將越來越大，有可能達(dá)到20 A。

從主機廠的角度出發(fā)，對電源系統(tǒng)的需求除滿足上述3點展望之外，對成本、散熱、可靠性與一致性也是關(guān)注的重點。

通過本文的闡述，希望能夠?qū)ξ磥淼闹悄荞{駛控制器產(chǎn)品的電源系統(tǒng)開發(fā)和芯片選型提供參考。