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ADAS 前置攝影機設計面臨的四大電源供應挑戰

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德州儀器新聞稿 發表於 2024年2月20日
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圖、ADAS 前置攝影機設計面臨的四大電源供應挑戰

前置攝影機裝置是先進駕駛輔助系統 (ADAS) 不可或缺的元件,尤其目前新車評鑑計畫的規定已將自動緊急煞車與前方防撞功能列為標準功能。前置攝影機可輔助其它 ADAS 功能,例如智慧主動車距控制巡航系統、行人偵測、車道維持輔助與交通標誌辨識等。

圖 1 的範例顯示如何使用攝影機進行物體偵測以實現 ADAS 功能。
 

圖一、使用攝影機進行即時處理

為了執行如視覺預處理、深度和運動加速或 AI 網路處理以支援 ADAS 功能,系統中的系統單晶片 (SoC) 需要高效率的電源供應器。ADAS 前置攝影機的設計面臨四大電源供應挑戰。

挑戰 1:精巧解決方案尺寸
前置攝影機在擋風玻璃上的位置,會對尺寸造成嚴格的限制。攝影機模組可能包含一或二台攝影機:一台可提供較寬廣的視野或較高解析度,第二台則可提供較長距離。

雖然市面大多產品使用單一攝影機模組,但為了改善車輛周遭視野並提升自主能力等級,雙攝影機模組正日益普及。高解析度與較高幀率的攝影機模組也已蔚為趨勢。在攝影機性能提升的同時,攝影機模組本身尺寸則逐漸縮減,一般尺寸為 18 mm x 18 mm。

遠端攝影機模組使用串聯器 - 解串器 (SerDes) 連結,將數據從攝影機模組傳輸至 ECU。前置攝影機模組與前置攝影機 ECU 共置,透過攝影機序列介面 (CSI)-2 將數據傳輸至 ECU 基板。前置攝影機中的攝影機模組輸入供電可低至 5 V,而同軸電纜供電的遠端攝影機模組通常為 9 V。前置攝影機模組子板上的多通道電源管理 IC (PMIC) 則為低電壓輸入,可為成像元件及攝影機模組上的額外處理作業供電。數據先經由板載微控制器 (MCU) 處理,再透過 CSI-2 串流至 ECU。攝影機模組上的 MCU 可執行像素層級的影像訊號處理功能,亦可由獨立晶片予以處理。遠端攝影機模組中常見的 SerDes 晶片組不需使用電源軌供電。若低電壓 PMIC 具備合適數量的電源軌,則可為攝影機模組上的影像感測器及其它周邊裝置供電,有利於實現這類系統所需的小巧空間。

圖 2  展示前置攝影機系統的概略原理圖,此系統通常位於靠近後視鏡的擋風玻璃後方,內含負責處理資料的前置攝影機電子控制單元 (ECU),以及搭載影像感測器的攝影機模組。
 

圖二、前置攝影機系統原理圖

在前置攝影機應用中所使用的視覺處理器,具有稱為視覺處理加速器的專用硬體加速器,以及深度和運動感知加速器,可偵測位於邊緣的物體。此外,這類處理器可配備人工智慧 (AI) 功能,並以專用矩陣乘法加速器輔助深度學習。面對如此龐大的處理量,PMIC 必須滿足處理器的現有需求而不增加解決方案尺寸。

PMIC 應具有優異的瞬態回應,可滿足 AI 處理器的負載瞬態要求,同時具備極低的輸出電容,有利維持小巧的解決方案尺寸。整合降壓穩壓器、壓降穩壓器、負載開關、電壓監控器、序列器、監視定時器、錯誤訊號模組,以及額外的通用輸入/輸出,有助於實現小巧尺寸,這項優勢相較於分離式方法尤其顯著,因為後者具有多個零組件,會提高整體解決方案的尺寸和成本。

此應用中常見的電源樹狀架構旨在實現雙級功率轉換,有助於維持整體效率,並將元件溫度維持在可接受範圍內。在此電源樹狀架構中,前級 DC/DC 會將 12 V 電池電壓降低至穩壓中間電壓 (例如 5 V 或 9 V),傳送至多通道 PMIC。前級 DC/DC 應為大範圍 VIN 降壓轉換器,可支援 12 V 電池電壓驟降至 3 V 和遽增至 36 V 的瞬態。


挑戰 2:功能安全
因為自動緊急煞車和智慧主動車距控制巡航系統均涉及前置攝影機,因此功能安全也至關重要。前置攝影機系統通常需符合車用安全完整性等級 (ASIL) B 的要求,這表示 PMIC 對處理器的供電必須達到 ASIL B 的要求,才能滿足整體系統層級的功能安全要求。

以下略舉幾項 ASIL B PMIC 常見的功能:
  • 用於 PMIC 電源軌的電壓監控器。
  • 附加監控器,用於偵測系統中的其它電源軌。
  • 能隙冗餘。
  • 用於偵測軟體故障的監視定時器。
  • 用於偵測硬體故障的錯誤訊號監控器。

挑戰 3:低成本
系統的低成本需求主要由客車與輕型商用車大量採用前置攝影機的趨勢所帶動。前置攝影機系統是車輛中最常見的一種 ADAS 應用,預計到 2028 年的裝置數量會超過 7000 萬件。

如此龐大數量對 Tier-1 供應商帶來的成本壓力將轉嫁至半導體供應商身上。若要維持低整體系統成本,方法包括減少物料清單數量、選擇整合式元件、選擇正確的技術節點,以及維持低矽成本。PMIC 可縮小尺寸並整合多個功率元件,有助於實現上述優勢和最佳成本效益。


挑戰 4:散熱性能
前置攝影機安裝於車輛擋風玻璃上,即使在正常操作條件下,仍將暴露在高溫中。高溫會造成熱雜訊,導致影像品質不佳,尤其在低光源條件下更是如此。前置攝影機的印刷電路板面積縮減需求,加上攝影機模組中的攝影機處於高溫環境,進一步為這項應用帶來更嚴苛的散熱挑戰。系統必須將散熱性能最佳化,才可在各種條件下運作。PMIC 的散熱性能有助於將電路板保持在低溫狀態。

結論
在 ADAS 前置攝影機上加裝 PMIC,有助於減輕本文所述的四大挑戰,並強化前置攝影機系統中的電源與散熱效率。視您的系統需求而定,AM62A-Q1 或 TDA4AL-Q1 處理器系列可能是您簡化前置攝影機設計程序的理想選擇。(1914字;圖3)


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