智能汽車(chē)傳感器應(yīng)該如何降噪?
發(fā)布時(shí)間:2021-07-12 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】近年來(lái),隨著電動(dòng)汽車(chē)的智能化和ADAS(高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng))的普及,傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣,噪聲環(huán)境也變得越來(lái)越嚴(yán)峻。傳感器的微弱環(huán)境信號(hào)需要通過(guò)運(yùn)算放大器和比較器轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào),才能送到微控制器(MCU)進(jìn)行計(jì)算,所以運(yùn)算放大器和比較器的作用越來(lái)越重要。
導(dǎo)讀
近年來(lái),隨著電動(dòng)汽車(chē)的智能化和ADAS(高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng))的普及,傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣,噪聲環(huán)境也變得越來(lái)越嚴(yán)峻。傳感器的微弱環(huán)境信號(hào)需要通過(guò)運(yùn)算放大器和比較器轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào),才能送到微控制器(MCU)進(jìn)行計(jì)算,所以運(yùn)算放大器和比較器的作用越來(lái)越重要。
問(wèn)題在于,通常在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中,很難對(duì)電路板和系統(tǒng)單體做噪聲評(píng)估,一般需要在系統(tǒng)組裝后再評(píng)估,一旦評(píng)估結(jié)果NG(不通過(guò)),就需要大規(guī)模修改,因此降噪設(shè)計(jì)一直是一個(gè)棘手的課題。
1、運(yùn)算放大器和比較器與傳感器
運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”,是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中,通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果。
比較器是將模擬電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的電路,可以對(duì)傳感器的輸出信號(hào)等進(jìn)行閾值判斷,輸出數(shù)字(High/Low)信號(hào)。
傳感器信號(hào)必經(jīng)運(yùn)算放大器和比較器
傳感器接收的信號(hào)要通過(guò)兩種方式傳輸?shù)組CU實(shí)現(xiàn)控制。第一種是經(jīng)運(yùn)算放大器把傳感器的小信號(hào)放大,變成MCU等可識(shí)別的電壓電平并傳輸?shù)組CU;第二種是通過(guò)比較器設(shè)定的閾值來(lái)判斷傳感器信號(hào)的高低,然后傳輸給MCU。
車(chē)載運(yùn)算放大器應(yīng)用示例
可以看到,不同的傳感器后面都需要用運(yùn)算放大器及比較器進(jìn)行信號(hào)處理,最后傳輸給控制單元,再通過(guò)控制單元來(lái)控制車(chē)輛的各種模塊。有多少傳感器,就需要有多少運(yùn)算放大器和比較器,所以說(shuō)其數(shù)量在與日俱增。
在車(chē)載應(yīng)用案例中,不同模塊會(huì)用到不同的運(yùn)算放大器或比較器。隨著ADAS和智能駕駛的發(fā)展,車(chē)輛中越來(lái)越多的場(chǎng)合都會(huì)用到運(yùn)放或比較器。
2、高精度、低誤差才好用
既然傳感器是將微弱環(huán)境變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),最終由MCU判斷信號(hào)做出動(dòng)作,就要求運(yùn)算放大器和比較器一定要高精度和低誤差,以保證放大或比較出來(lái)的信號(hào)是可靠和可以利用的。
運(yùn)算放大器是提高感測(cè)精度的關(guān)鍵
3、噪聲也會(huì)影響感測(cè)精度
另一個(gè)影響傳感器系統(tǒng)精度的因素是噪聲,它主要來(lái)自兩個(gè)方面,第一是EMI(電磁干擾),即IC本身產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)干擾其他電子設(shè)備,給整個(gè)系統(tǒng)精度帶來(lái)誤差。如果IC或系統(tǒng)抗EMI性能較差,當(dāng)周?chē)a(chǎn)生噪聲干擾時(shí),元器件或系統(tǒng)就可能產(chǎn)生誤動(dòng)作,因此需要使用濾波器(電容器、電阻器等)和屏蔽(金屬板)來(lái)降低噪聲。第二是EMS(電磁耐受)特性,即芯片本身能夠承受多少來(lái)自外部的噪聲干擾。所以,傳感器應(yīng)用的運(yùn)算放大器必須具有低噪聲和抗干擾性能。
噪聲相關(guān)定義
EMC(電磁兼容性)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)具有一定抵抗電磁干擾的能力,同時(shí)不能產(chǎn)生過(guò)量的電磁輻射。
電磁兼容性的內(nèi)涵
4、怎樣才能實(shí)現(xiàn)低噪聲性能?
首先,運(yùn)算放大器內(nèi)部噪聲大致可分為由工藝結(jié)構(gòu)造成的閃爍噪聲,以及由電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生的熱噪聲。為了降低整體噪聲,通過(guò)改善工藝及電路設(shè)計(jì),可以降低兩方面的噪聲成分,實(shí)現(xiàn)整體上的超低噪聲。
通過(guò)全面優(yōu)化電路、布局和元件尺寸等,可使抗EMI性能得到顯著提升。有三種方法:首先,通過(guò)在所需位置嵌入噪聲控制電路提高抗干擾性能;第二,在有噪聲的線路周?chē)O(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu),改善布線干擾并調(diào)整內(nèi)部模擬內(nèi)核的阻抗;第三,著眼于寄生電容大時(shí)抗噪性能強(qiáng)的事實(shí),選擇更合適寄生電容的工藝和元件尺寸。這三點(diǎn)都做好了,整個(gè)芯片的抗噪能力就非常強(qiáng)了。
全面優(yōu)化整體噪聲
5、從解決電磁輻射入手消除噪聲
影響運(yùn)算放大器精度的參數(shù)包括輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓以及等效輸入噪聲電壓。通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù),可以提高傳感器系統(tǒng)的精度。
針對(duì)上述挑戰(zhàn),羅姆從2017年開(kāi)始開(kāi)發(fā)抗EMI性能非常出色的EMARMOUR™(EM——電磁輻射,ARMOUR——鎧甲)系列運(yùn)算放大器產(chǎn)品。其開(kāi)發(fā)初衷是為了無(wú)需采取特別措施也可防止產(chǎn)品因噪聲干擾而誤動(dòng)作。2018年,該系列的雙極型產(chǎn)品面世,共有四款,有助于減輕客戶降噪設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān),在車(chē)載市場(chǎng)獲得了高度好評(píng)。
正因?yàn)橛辛?ldquo;鎧甲”,2020年,羅姆的運(yùn)算放大器和比較器產(chǎn)品出貨量出貨量超過(guò)了5億顆,其中工業(yè)部分占12%,車(chē)載部分高達(dá)25%。
EMARMOUR™ 品牌產(chǎn)品融合了電路設(shè)計(jì)技術(shù)、布局技術(shù)、工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì),針對(duì)ISO 11452-2國(guó)際抗擾度評(píng)估測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)噪聲頻段輸出電壓波動(dòng)非常小的出色抗干擾性能,有助于解決系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的噪聲干擾問(wèn)題,從而減少設(shè)計(jì)工時(shí)并提高系統(tǒng)可靠性。
提高系統(tǒng)可靠性
羅姆推出的在國(guó)際通行的4種抗擾度評(píng)估測(cè)試中均實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)抗干擾性能的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)運(yùn)算放大器BD87581YG-C(單通道)和BD87582YFVM-C(雙通道),其偏置電流、轉(zhuǎn)換速率都比上一代雙極型產(chǎn)品有較大提高。
例如,在主機(jī)廠實(shí)施的電子輻射抗擾度測(cè)試ISO 11452-2中,在整個(gè)噪聲頻段內(nèi),普通產(chǎn)品的輸出電壓波動(dòng)達(dá)±300mV以上,而新產(chǎn)品僅在±10mV以內(nèi)(普通產(chǎn)品的1/30)。因此,將新產(chǎn)品配置在傳感器等部件后端時(shí),利用CMOS元件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的信號(hào)放大,完全不受外部噪聲的影響,有助于簡(jiǎn)化各種異常檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),提高其可靠性。
新產(chǎn)品在以下三個(gè)方面解決了普通產(chǎn)品面臨的問(wèn)題:
第一,傳感器應(yīng)用中的輸入電壓非常微弱,由于抗干擾性能低,普通運(yùn)放產(chǎn)品會(huì)受到外部噪聲影響而發(fā)生誤動(dòng)作,使MCU接收到錯(cuò)誤信號(hào)導(dǎo)致工作異常。使用抗EMI性能出色的EMARMOURTM 系列產(chǎn)品不容易受外部噪聲干擾。
避免外部噪聲干擾
第二,從汽車(chē)電子整體設(shè)計(jì)流程看,使用普通運(yùn)放都要對(duì)系統(tǒng)整體噪聲進(jìn)行評(píng)估,且一般是要等到DEMO板出來(lái)以后才能做整體評(píng)估,如果噪聲測(cè)試結(jié)果NG,就要花更多工時(shí)來(lái)降低噪聲,甚至要在設(shè)計(jì)前期追加對(duì)策,增加整體設(shè)計(jì)工時(shí)。EMARMOURTM 系列產(chǎn)品抗噪能力強(qiáng),能夠有效減輕降噪設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān),幫助客戶減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)工時(shí)和成本,在整體交付周期較短的設(shè)計(jì)中,也可以做到快速響應(yīng)。
第三,作為降低外部噪聲干擾的措施,普通運(yùn)放本身輸入、輸出端需要追加濾波器件,最簡(jiǎn)單的是RC濾波,就是每個(gè)端口加電阻和電容。使用EMARMOURTM 系列產(chǎn)品無(wú)需任何濾波對(duì)策就可實(shí)現(xiàn)出色的降噪水平。簡(jiǎn)單講,使用四通道產(chǎn)品可削減多達(dá)18個(gè)外圍元器件,有效節(jié)省客戶元器件成本及布板成本。
新系列產(chǎn)品符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn),其應(yīng)用包括:EV/HEV車(chē)載逆變器、引擎控制單元、eCall(車(chē)輛緊急呼叫系統(tǒng))、汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車(chē)空調(diào)等;工業(yè)設(shè)備(FA設(shè)備)、計(jì)量?jī)x器、測(cè)量設(shè)備、伺服系統(tǒng)、各種傳感器系統(tǒng)等對(duì)電子電路降噪要求高的各類(lèi)車(chē)載和工業(yè)設(shè)備。
6、運(yùn)放和比較器提升智能駕駛附加值
意法半導(dǎo)體(ST)的運(yùn)算放大器和比較器陣容豐富,旨在利用各種車(chē)用器件提升智能駕駛的附加值。其汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品可滿足汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)超高可靠性和質(zhì)量的要求,包括:AEC-Q100和Q101、TS-16949、PPAP(生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序)可用性、Q002 EWS統(tǒng)計(jì)量產(chǎn)分析指南(SYA)和器件平均測(cè)試(PAT)指南等。后端(封裝和測(cè)試)階段100%熱試驗(yàn)超過(guò)了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的特定篩選和試驗(yàn)方法。
提升智能駕駛附加值的運(yùn)放和比較器
這些產(chǎn)品可在-40至150℃的極端溫度范圍安全運(yùn)行,適用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速箱模塊和安全關(guān)鍵系統(tǒng);而且可以方便快捷地將模擬產(chǎn)品集成到信號(hào)調(diào)節(jié)、監(jiān)控和控制解決方案中。作為微控制器和模擬傳感器的完美配套芯片,其運(yùn)算放大器有助于增強(qiáng)信號(hào)鏈能力。針對(duì)車(chē)輛有限空間優(yōu)化的解決方案采用微型DFN、QFN、SC-70和6-Bump CSP等封裝,節(jié)省占用空間。
這些產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣泛,包括音頻緩沖、溫度測(cè)量、前照燈調(diào)平、雨水和光線傳感器、電動(dòng)座椅電機(jī)電流控制、踏板角度測(cè)量、ADAS等。
以前照燈調(diào)平36V TSB572為例,來(lái)看看這款運(yùn)算放大器的功能。車(chē)輛輪胎氣壓、裝載質(zhì)量或道路條件都會(huì)使車(chē)輛俯仰角發(fā)生變化,直接影響前照燈的照射角度;隨著前照燈功率的增加,調(diào)平變得越來(lái)越重要,以防止其他駕駛員眩目。
TSB572可以調(diào)整和補(bǔ)償車(chē)輛俯仰角,利用ECU提供的與所需前照燈角度成比例的PWM信號(hào),第一個(gè)運(yùn)放用作電平移位器,第二個(gè)運(yùn)放用作低通濾波器,以便向執(zhí)行器提供與蓄電池電壓成比例的控制電壓信號(hào)。其特點(diǎn)是不需要使用拋負(fù)載(load dump)箝位,采用軌對(duì)軌輸入/輸出級(jí)(輸入和輸出電壓擺幅非常接近),不需要電荷泵電路。電荷泵有其自身缺點(diǎn),電路結(jié)構(gòu)不同,會(huì)有以下三種情況:一是使用耐壓較低的電容,缺點(diǎn)是紋波噪聲大;如果要降低紋波噪聲,就要使用高耐壓電容,電容的電壓應(yīng)力會(huì)隨之增加;三是平衡一和二,缺點(diǎn)是電路復(fù)雜。后兩種方案的成本也會(huì)相應(yīng)增加。
簡(jiǎn)化噪聲處理的前照燈調(diào)平方案
另外,TSB572是一個(gè)40V BiCMOS制造工藝的運(yùn)算放大器,采用DFN8封裝。CMOS晶體管只有在切換狀態(tài)時(shí)才會(huì)消耗電流,因此屬于低功耗器件。而B(niǎo)iCMOS是在同一器件中同時(shí)結(jié)合了雙極(Bipolar)和CMOS工藝。基于這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)算放大器具有優(yōu)異的GBW/Icc能效,電源電流-性能比是市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的五分之一。此外,低輸入失調(diào)電壓和低于6µV/℃的溫度漂移有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),無(wú)需微調(diào)或校準(zhǔn),確保在額定溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。
通常情況下,帶寬越寬抗噪聲能力越強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到噪聲信號(hào)時(shí),可通過(guò)擴(kuò)展帶寬把噪聲能量平均到整個(gè)帶寬上,從而降低單位帶寬上的噪聲能量。TSB572配備軌對(duì)軌輸入輸出,增益帶寬積(GBW,評(píng)價(jià)放大器性能的指標(biāo))為2.5MHz,最大輸入失調(diào)電壓1.5mV。器件在容性負(fù)載時(shí)工作穩(wěn)定,相位反轉(zhuǎn)保護(hù)功能優(yōu)異。4.0V至36V的寬電源電壓可以使用各種電源獲得額定參數(shù)。
順便說(shuō)一下ST的比較器。軌對(duì)軌輸入1.8V高速比較器TS3021H也是-40至150℃寬溫范圍,傳播延遲38ns,具有高速響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)電源電壓在2V到5V時(shí),比較器可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。TS3021H的微功耗低至73μA,從而具有功耗電流與響應(yīng)時(shí)間的極佳之比,滿足汽車(chē)應(yīng)用要求。
TS3021H原理圖
7、運(yùn)算放大器和比較器助力傳感器智能
時(shí)下,傳感器已成為現(xiàn)代汽車(chē)的核心元件,車(chē)輛中的傳感器比比皆是。車(chē)輛的的動(dòng)力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個(gè)方面的改進(jìn)和提高,都將依賴于各種傳感器。而讓傳感器變得更加智能,真正發(fā)揮作用還要靠其后端的運(yùn)算放大器和比較器,可以這樣將,其數(shù)量和種類(lèi)將伴隨傳感器與日俱增。
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