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車載信息娛樂系統(tǒng)中的電源設(shè)計(下)

發(fā)布時間:2022-05-10 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車車載信息娛樂系統(tǒng),又稱車機,是基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。在上篇中,我們介紹了車機系統(tǒng)中一級電源和二級電源的性能要求,本文將專門介紹車機系統(tǒng)中的環(huán)視攝像頭電源和USB端口設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)。

 

圖1所示的車機電源架構(gòu)中包含了攝像頭電源與USB充電的相關(guān)部分。

 

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圖 1:攝像頭電源和 USB 充電應(yīng)用電源架構(gòu)


MPS 提供的解決方案可幫助設(shè)計人員滿足環(huán)視攝像頭電源和 USB 充電應(yīng)用要求。

 

環(huán)視攝像頭電源解決方案

 

將環(huán)視攝像頭的圖像處理集成到車機的主處理器是當(dāng)下車機發(fā)展的新需求。如圖2所示,環(huán)視攝像頭模組一般分布在車身四周,通過長距離同軸電纜將數(shù)據(jù)和電力傳輸?shù)轿挥隈{駛室中控的中央處理器(CPU)。

 

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圖2: 環(huán)式攝像頭將數(shù)據(jù)傳輸給CPU


一般而言攝像頭內(nèi)部的模組供電低于5V,然而考慮到長距離的線路壓降或其他壓降原因(如Cold crank冷啟動),有些OEM會設(shè)定車機攝像頭的供電在8V-10V左右。這樣的供電要求對汽車電池而言頗具挑戰(zhàn)。

 

舉例來說,當(dāng)汽車在做“冷啟動”等測試時,電池電壓最低可能跌至5V。與此同時,正常工作范圍又需要支持最低9V的電壓。采用標(biāo)準(zhǔn)降壓DC/DC變換器難以使攝像頭電壓軌滿足此要求。而先降壓再升壓的兩級電源架構(gòu)盡管可用,但效率低,而且PCB占板面積大。

 

MPS公司的MPQ8873-AEC1產(chǎn)品此時脫穎而出。除了不增加復(fù)雜性,這款單片同步 DC/DC升降壓變換器還具有多項優(yōu)勢。

 

更高效的架構(gòu)

 

圖3對兩級電源架構(gòu)和高效一體化升降壓架構(gòu)進行了比較。

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圖3:電源架構(gòu)的比較


對于升壓(Boost)拓撲,即使通過EN關(guān)斷IC,其輸出電壓(VOUT)仍然等于輸入電壓(VIN),除非串聯(lián)額外的開關(guān),否則無法完全關(guān)斷后級負載。而采用MPQ8873-AEC1 這類單級升降壓(Buck-Boost)拓撲,不僅效率高、布板面積小,其輸出供電通過使能EN也完全可控。

 

更簡單的布局

 

MPQ8873-AEC1 具有內(nèi)置4個MOSFET的Buck-Boost拓撲,可動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓(如圖4所示)。

 

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圖4: MPQ8873 的四個集成 MOSFET


相比傳統(tǒng)電路,其外圍電路極其簡單,除必要的濾波電感電容和自舉(BST)電容外,幾乎沒有其他元件。

 

更高的效率

 

MPQ8873-AEC1 內(nèi)部集成10mΩ/25mΩ 上管MOSFET(HS-FET)和下管MOSFET(LS-FET)。在VIN = 13.5V、VOUT = 11.5V 和負載電流 (ILOAD) = 3A 的測試條件下,其效率超過95%(如圖5所示)。

 

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圖5: MPQ8873效率曲線(VIN = 13.5V, VOUT = 11.5V, ILOAD = 3A)


更佳的EMI性能

 

MPQ8873-AEC1的布局能夠最小化輸入與輸出功率環(huán)路。該器件還支持頻率擴展 (FSS)功能,從而可進一步降低 EMI。圖 6 顯示了MPQ8873-AEC1的最小環(huán)路設(shè)計。

 

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圖6: MPQ8873 的最小環(huán)路設(shè)計


全能的車機USB連接端口解決方案

 

車機內(nèi)的CPU通常會接收來自不同位置的多個USB的數(shù)據(jù),其中有位于扶手箱的,也有來自前面板的。位于扶手箱內(nèi)的USB充電和數(shù)據(jù)端口,一般會在遠端配備USB充電IC和HUB芯片,這些端口集束數(shù)據(jù)并發(fā)送給CPU(如圖7所示)。而位于前面板的USB端口會將USB充電功能集成在車機中,而這會對USB充電IC提出新的挑戰(zhàn)。

 

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圖7: 數(shù)據(jù)從多個USB端口傳遞給CPU


MPS提供的單片降壓開關(guān)模式變換器MPQ4228-C-AEC1具備多種優(yōu)勢,可以解決 USB 充電 IC 面臨的難題。

 

更強的通用性

 

MPQ4228-C-AEC1 可以配置成USB-A或者USB-C。由于支持USB BC1.2 CDP協(xié)議,其充電口能夠在手機和汽車進行USB輸出交互的同時,提供大約10-15W左右的充電功率。

 

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圖8: MPQ4428-C 支持 USB-A、USB-C 和 CDC 協(xié)議


更細節(jié)的考量

 

由于車機和前面板USB充電端口有一段距離,再加上手機充電線纜本身也有一段長度,真正到達手機端口的電壓相比于車機的輸出電壓可能有較大的壓差。MPQ4228-C-AEC1具有線損補償功能,充電電流越大,MPQ4228-C-AEC1的輸出電壓越高。線損補償?shù)男甭士梢酝ㄟ^外置電阻設(shè)計,靈活方便。

 

更安全的防護

 

在汽車充電端口的實際使用中,有時候會出現(xiàn)手機充電線纜的接頭誤插入錯誤端口的情況。MPQ4228-C-AEC1 具有VBUS/DM/DP/CC等I/O引腳的電池短路保護功能。這樣的保護功能可以避免上述事故對汽車充電IC造成損壞。

 

更完善的數(shù)據(jù)信號鏈傳輸

 

眼圖是評估USB2.0信號完整性的測試,MPQ4228-C-AEC1具有極其出色的眼圖性能(如圖9所示)。在USB2.0 DMDP數(shù)據(jù)經(jīng)過MPQ4228-C-AEC1內(nèi)部數(shù)據(jù)開關(guān)時,采用150cm的線纜,也能通過眼圖的測試。

 

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圖9: MPQ4228-C通過眼圖測試


更優(yōu)異的EMI性能

 

MPQ4228-C-AEC1提供頻率擴展(FSS)功能以提升EMI性能,其評估板能夠在不加屏蔽罩及共模電感的條件下,通過國標(biāo)等級5的測試。

 

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圖10: MPQ4228-C優(yōu)異的EMI性能


全面的USB-IF認證

 

MPQ4228-C-AEC1能夠通過USB-IF的相關(guān)認證,尤其是其內(nèi)部獨有的過流保護(OCP)機制,能夠使器件通過Apple MFI R33認證。在進行過流瞬態(tài)脈沖測試時,即使發(fā)生短暫過流,MPQ4228-C-AEC1也能夠維持住VBUS 電壓而不至于關(guān)斷保護。

 

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圖11: MPQ4228-C 在負載過流期間仍保持 VBUS


結(jié)論

 

本系列文章的上篇對車機的一級和二級電源進行了介紹,本文則針對攝像頭電源和 USB 充電所面臨的需求難點提出了解決方案。其中,MPQ8873-AEC1 被用作環(huán)視攝像頭模塊的解決方案,而MPQ4228-C-AEC1被用于解決 USB 充電挑戰(zhàn)。MPS強大而靈活的產(chǎn)品組合能夠為現(xiàn)代車機系統(tǒng)的設(shè)計提供眾多優(yōu)勢。



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