安全設(shè)計降壓前置穩(wěn)壓器，為汽車電源保駕護航！

任何有影響力的技術(shù)都伴隨著一系列風(fēng)險，這些風(fēng)險在與汽車安全相關(guān)的系統(tǒng)中尤為嚴(yán)重。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 系列標(biāo)準(zhǔn)道路車輛 – 功能安全旨在通過提供汽車電氣和電子系統(tǒng)功能安全的指南和要求來降低道路車輛的風(fēng)險。ISO 26262 分為 12 個部分發(fā)布，于 2018 年進行了更新，以適應(yīng)不斷發(fā)展的汽車技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在包含對半導(dǎo)體的具體要求。ISO 26262 詳細(xì)說明了一種特定于汽車且基于風(fēng)險的方法，用于確定風(fēng)險等級 - 稱為汽車安全完整性等級 (ASIL) - 這些等級是根據(jù)嚴(yán)重性、暴露概率和駕駛員可控性三個變量對潛在危險進行風(fēng)險分析而建立的。

在開發(fā)符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的平臺時，汽車制造商需要 ASIL 系統(tǒng)級等級的各種分級。例如，環(huán)視、駕駛員監(jiān)控以及用于高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的雷達(dá)和激光雷達(dá)需要 ASIL D 系統(tǒng)級等級。與此同時，數(shù)字駕駛艙和信息娛樂系統(tǒng)等終端設(shè)備只需要 ASIL B 等級。此類安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的一個首要主題是需要通過汽車電池電源可靠地為大電流片上系統(tǒng) (SoC) 和多核處理器負(fù)載供電。

具有外部電壓監(jiān)控功能 且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計

同步降壓控制器集成電路 (IC) 可在汽車設(shè)計中實現(xiàn)直流/直流轉(zhuǎn)換，這些設(shè)計采用 12V、24V 和 48V 電池輸入，滿足大電流處理器負(fù)載的要求，其電流規(guī)格通常超過 100A。圖 1 展示了一種雙輸出配置，該配置在系統(tǒng)的每個輸出上都包含一個電壓監(jiān)控 IC，以實現(xiàn) ASIL D 功能安全合規(guī)性。

圖 1：具有輸出電壓監(jiān)控 IC 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩(wěn)壓器

圖 1 中的 Q3 和 Q6 指定在存在輸出故障的情況下斷開的輸出斷開開關(guān)。圖 1 所示的傳統(tǒng)雙路輸出降壓控制器使用電源正常 (PG1/2) 引腳將基本的診斷信息返回到系統(tǒng)微控制器 (MCU)。

具有同步降壓控制器 且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計

80V 雙通道直流/直流降壓控制器 LM5137F-Q1 包括為高功率 SoC 內(nèi)核和 I/O 電源軌實施高效同步降壓穩(wěn)壓器所需的所有功能。該器件所屬的控制器系列提供了三個適用于功能安全的類別：TI 功能安全型、ASIL B 或 ASIL D，器件型號中的“F”后綴指定后兩個選項。

該系列還提供電壓可擴展性，支持 12V、24V 和 48V 電池輸入，開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至 2.2MHz。集成電荷泵柵極驅(qū)動器具有 100% 的占空比功能，并且支持真正的直通模式運行。LM5137F-Q1 還具有超低靜態(tài)電流，可延長電池壽命，提高輕負(fù)載效率，并具有雙隨機展頻 (DRSS)，可在各種頻率下成功應(yīng)對電磁干擾 (EMI)。

圖 2 展示了使用 LM5137F-Q1 降壓控制器的 ASIL D 系統(tǒng)中前置穩(wěn)壓器設(shè)計的完整電路原理圖。該設(shè)計具有與圖 1 基本相同的工作規(guī)格和功率級元件，但不需要外部電壓監(jiān)控 IC。為了提高靈活性，您可以將降壓控制器配置為具有兩個交錯相位的單輸出實現(xiàn)方案（或針對要求特別嚴(yán)苛的高電流負(fù)載將其堆疊至四個相位）。

圖 2：使用 LM5137F-Q1 降壓控制器實現(xiàn) ASIL D 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩(wěn)壓器

LM5137F-Q1 包含安全機制，可幫助滿足 ISO 26262 系統(tǒng)功能和硬件完整性功能安全要求，最高可達(dá) ASIL D。此類安全機制包括模擬內(nèi)置自檢 (ABIST)，可在允許輸出啟動之前驗證 LM5137F-Q1 控制器和周圍元件的運行狀況。該器件還具有冗余輸出電壓監(jiān)控功能，無需外部電路，并且可以節(jié)省硬件成本，減小尺寸和復(fù)雜性。其他安全機制包括高級故障報告、過流監(jiān)測和報告、輸出欠壓和過壓保護以及冗余熱關(guān)斷。

如圖 2 所示，功能安全降壓控制器的系統(tǒng)級和電路級優(yōu)勢包括：

■ 集成式診斷功能，包括啟動前的 ABIST 和正常運行期間的每通道電流監(jiān)控。

■ 集成冗余，包括高級故障識別和容錯功能，可降低基于時基故障 (FIT) 的故障率。

■ 不再需要補充的電壓和電流監(jiān)測 IC，從而減少元件數(shù)量并節(jié)省空間。

具有同步降壓轉(zhuǎn)換器 且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計

具有集成開關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器提供電壓和電流可擴展性，是前置穩(wěn)壓級的另一種選擇。例如，65V、8A LM68680-Q1 和 65V、4.5A LM68645-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器系列可以耐受 70V 的輸入瞬態(tài)，同時滿足必須至少達(dá)到 ASIL C 的系統(tǒng)要求。這些轉(zhuǎn)換器可擴展至 12V、24V 和 48V 輸入，提供與上述 LM5137F-Q1 控制器相似的功能安全特性。

圖 3 是使用 LM68680-Q1 和 LM68645-Q1 作為前置穩(wěn)壓器為 30A TPS62883-Q1 和 20A TPS62881-Q1 可堆疊兩相負(fù)載點 (PoL) 降壓轉(zhuǎn)換器供電的系統(tǒng)方框圖。通過輸出電壓的差分遙感和超快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，這些 PoL 可為 ADAS 域控制器應(yīng)用中使用的 Jacinto? TDA4VH-Q1 汽車 SoC 提供嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)。

圖 3：采用降壓轉(zhuǎn)換器為汽車 SoC 供電的系統(tǒng)方框圖

無論選擇哪種具有控制器或轉(zhuǎn)換器選項的架構(gòu)來為各種 SoC 電壓軌供電，TI 都會提供業(yè)界通用報告和其他資源 - 包括 IC 級文檔，例如功能安全時基故障率和故障模式影響和診斷分析 (FMEDA) - 以幫助簡化您的功能安全系統(tǒng)級認(rèn)證。

結(jié)語

隨著汽車電力電子產(chǎn)品朝著符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計發(fā)展，這些設(shè)計具有更高的密度、更小的封裝、更高的性能和更低的成本，因此必須重新思考選擇降壓前置穩(wěn)壓器功率級的控制器和轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，在設(shè)計需要高密度降壓前置穩(wěn)壓器的系統(tǒng)時，實現(xiàn)高達(dá) ASIL D 的功能安全合規(guī)性是面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

當(dāng)針對需要輔助監(jiān)控和監(jiān)控元件以實現(xiàn)功能安全合規(guī)性的傳統(tǒng)控制器設(shè)計進行基準(zhǔn)測試時，LM5137F-Q1 等降壓控制器具有多項固有優(yōu)勢。此外，TI 的功能安全合規(guī)型具有 65V 額定電壓的降壓轉(zhuǎn)換器為低功耗設(shè)計提供了一種替代方案。