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        車載信息娛樂系統中的電源設計(下)

        發布時間:2022-05-10 來源:MPS 責任編輯:wenwei

        【導讀】汽車車載信息娛樂系統,又稱車機,是基于車身總線系統和互聯網服務而形成的車載綜合信息處理系統。在上篇中,我們介紹了車機系統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中的環視攝像頭電源和USB端口設計面臨的挑戰。

         

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

         

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        圖 1:攝像頭電源和 USB 充電應用電源架構


        MPS 提供的解決方案可幫助設計人員滿足環視攝像頭電源和 USB 充電應用要求。

         

        環視攝像頭電源解決方案

         

        將環視攝像頭的圖像處理集成到車機的主處理器是當下車機發展的新需求。如圖2所示,環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據和電力傳輸到位于駕駛室中控的中央處理器(CPU)。

         

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        圖2: 環式攝像頭將數據傳輸給CPU


        一般而言攝像頭內部的模組供電低于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。

         

        舉例來說,當汽車在做“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。采用標準降壓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盡管可用,但效率低,而且PCB占板面積大。

         

        MPS公司的MPQ8873-AEC1產品此時脫穎而出。除了不增加復雜性,這款單片同步 DC/DC升降壓變換器還具有多項優勢。

         

        更高效的架構

         

        圖3對兩級電源架構和高效一體化升降壓架構進行了比較。

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        圖3:電源架構的比較


        對于升壓(Boost)拓撲,即使通過EN關斷IC,其輸出電壓(VOUT)仍然等于輸入電壓(VIN),除非串聯額外的開關,否則無法完全關斷后級負載。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 具有內置4個MOSFET的Buck-Boost拓撲,可動態調節輸出電壓(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的最小環路設計。

         

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        圖6: MPQ8873 的最小環路設計


        全能的車機USB連接端口解決方案

         

        車機內的CPU通常會接收來自不同位置的多個USB的數據,其中有位于扶手箱的,也有來自前面板的。位于扶手箱內的USB充電和數據端口,一般會在遠端配備USB充電IC和HUB芯片,這些端口集束數據并發送給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。

         

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        圖7: 數據從多個USB端口傳遞給CPU


        MPS提供的單片降壓開關模式變換器MPQ4228-C-AEC1具備多種優勢,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 協議


        更細節的考量

         

        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。線損補償的斜率可以通過外置電阻設計,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。

         

        更完善的數據信號鏈傳輸

         

        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數據經過MPQ4228-C-AEC1內部數據開關時,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,通過國標等級5的測試。

         

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        圖10: MPQ4228-C優異的EMI性能


        全面的USB-IF認證

         

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

         

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        圖11: MPQ4228-C 在負載過流期間仍保持 VBUS


        結論

         

        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。MPS強大而靈活的產品組合能夠為現代車機系統的設計提供眾多優勢。



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