汽車車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)
概述
汽車車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，又稱車機(jī)，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)。本文將專門介紹車機(jī)系統(tǒng)中的環(huán)視攝像頭電源和USB端口設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。
圖1所示的車機(jī)電源架構(gòu)中包含了攝像頭電源與USB充電的相關(guān)部分。
▲ 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(jì)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(jī)的主處理器是當(dāng)下車機(jī)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(guò)長(zhǎng)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）。
▲ 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(zhǎng)距離的線路壓降或其他壓降原因（如Cold crank冷啟動(dòng)），有些OEM會(huì)設(shè)定車機(jī)攝像頭的供電在8V-10V左右。這樣的供電要求對(duì)汽車電池而言頗具挑戰(zhàn)。
舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)汽車在做“冷啟動(dòng)”等測(cè)試時(shí)，電池電壓最低可能跌至5V。與此同時(shí)，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(jí)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(shí)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
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更高效的架構(gòu)
圖3對(duì)兩級(jí)電源架構(gòu)和高效一體化升降壓架構(gòu)進(jìn)行了比較。
▲ 圖3:電源架構(gòu)的比較
對(duì)于升壓（Boost）拓?fù)?，即使通過(guò)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(kāi)關(guān)，否則無(wú)法完全關(guān)斷后級(jí)負(fù)載。而采用MPQ8873-AEC1（這類單級(jí)升降壓（Buck-Boost）拓?fù)洌粌H效率高、布板面積小，其輸出供電通過(guò)使能EN也完全可控。
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更簡(jiǎn)單的布局
MPQ8873-AEC1 具有內(nèi)置4個(gè)MOSFET的Buck-Boost拓?fù)?，可?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓（如圖4所示）。
▲ 圖4: MPQ8873 的四個(gè)集成 MOSFET
相比傳統(tǒng)電路，其外圍電路極其簡(jiǎn)單，除必要的濾波電感電容和自舉（BST）電容外，幾乎沒(méi)有其他元件。
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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(fù)載電流 (ILOAD) = 3A 的測(cè)試條件下，其效率超過(guò)95%（如圖5所示）。
▲ 圖5: MPQ8873效率曲線(VIN= 13.5V, VOUT= 11.5V, ILOAD= 3A)
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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(kuò)展 (FSS)功能，從而可進(jìn)一步降低 EMI。圖 6 顯示了MPQ8873-AEC1的最小環(huán)路設(shè)計(jì)。
▲ 圖6: MPQ8873 的最小環(huán)路設(shè)計(jì)
全能的車機(jī)USB連接端口解決方案
車機(jī)內(nèi)的CPU通常會(huì)接收來(lái)自不同位置的多個(gè)USB的數(shù)據(jù)，其中有位于扶手箱的，也有來(lái)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(huì)在遠(yuǎn)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(huì)將USB充電功能集成在車機(jī)中，而這會(huì)對(duì)USB充電IC提出新的挑戰(zhàn)。
▲ 圖7: 數(shù)據(jù)從多個(gè)USB端口傳遞給CPU
MPS提供的單片降壓開(kāi)關(guān)模式變換器MPQ4228-C-AEC1 具備多種優(yōu)勢(shì)，可以解決 USB 充電 IC 面臨的難題。
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更強(qiáng)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(jī)和汽車進(jìn)行USB輸出交互的同時(shí)，提供大約10-15W左右的充電功率。
▲ 圖8: MPQ4428-C 支持 USB-A、USB-C 和 CDC 協(xié)議
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更細(xì)節(jié)的考量
由于車機(jī)和前面板USB充電端口有一段距離，再加上手機(jī)充電線纜本身也有一段長(zhǎng)度，真正到達(dá)手機(jī)端口的電壓相比于車機(jī)的輸出電壓可能有較大的壓差。MPQ4228-C-AEC1 具有線損補(bǔ)償功能，充電電流越大，MPQ4228-C-AEC1的輸出電壓越高。線損補(bǔ)償?shù)男甭士梢酝ㄟ^(guò)外置電阻設(shè)計(jì)，靈活方便。
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更安全的防護(hù)
在汽車充電端口的實(shí)際使用中，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)手機(jī)充電線纜的接頭誤插入錯(cuò)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(hù)功能。這樣的保護(hù)功能可以避免上述事故對(duì)汽車充電IC造成損壞。
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更完善的數(shù)據(jù)信號(hào)鏈傳輸
眼圖是評(píng)估USB2.0信號(hào)完整性的測(cè)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(guò)MPQ4228-C-AEC1 內(nèi)部數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)時(shí)，采用150cm的線纜，也能通過(guò)眼圖的測(cè)試。
▲ 圖9: MPQ4228-C通過(guò)眼圖測(cè)試
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更優(yōu)異的EMI性能
MPQ4228-C-AEC1 提供頻率擴(kuò)展（FSS）功能以提升EMI性能，其評(píng)估板能夠在不加屏蔽罩及共模電感的條件下，通過(guò)國(guó)標(biāo)等級(jí)5的測(cè)試。
▲ 圖10: MPQ4228-C優(yōu)異的EMI性能
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全面的USB-IF認(rèn)證
MPQ4228-C-AEC1 能夠通過(guò)USB-IF的相關(guān)認(rèn)證，尤其是其內(nèi)部獨(dú)有的過(guò)流保護(hù)（OCP）機(jī)制，能夠使器件通過(guò)Apple MFI R33認(rèn)證。在進(jìn)行過(guò)流瞬態(tài)脈沖測(cè)試時(shí)，即使發(fā)生短暫過(guò)流，MPQ4228-C-AEC1也能夠維持住VBUS 電壓而不至于關(guān)斷保護(hù)。
▲ 圖11: MPQ4228-C 在負(fù)載過(guò)流期間仍保持 VBUS
結(jié)論
本文對(duì)攝像頭電源和 USB 充電所面臨的需求難點(diǎn)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(qiáng)大而靈活的產(chǎn)品組合能夠?yàn)楝F(xiàn)代車機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供眾多優(yōu)勢(shì)。
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