隨著汽車產(chǎn)業(yè)朝著半自動(dòng)和全自動(dòng)駕駛汽車的概念邁進(jìn)，各種復(fù)雜且靈敏的電子系統(tǒng)大大增加。從社會(huì)效益角度看，自動(dòng)化有望使道路更安全，更少發(fā)生事故，并能主動(dòng)緩解交通擁堵。自動(dòng)駕駛需要多個(gè)高性能的互連傳感器和子系統(tǒng)，才能可靠和安全地運(yùn)行。電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用環(huán)境在電氣層面非常嚴(yán)酷，且具有嘈雜的噪聲，使可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。系統(tǒng)可能會(huì)由于內(nèi)部干擾源（例如EMI）、瞬態(tài)和外部影響（例如路邊C2X基礎(chǔ)設(shè)施）而導(dǎo)致影響其他重要系統(tǒng)的運(yùn)行。
先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）是車輛自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)，在完全自動(dòng)駕駛時(shí)，它可以與更高級(jí)、更復(fù)雜的其它應(yīng)用協(xié)同工作。當(dāng)汽車以任何半自動(dòng)模式（Level 1～Level 3）運(yùn)行時(shí)，這種ADAS系統(tǒng)還能夠直接通知駕駛員即將發(fā)生的情況。車輛的不同自動(dòng)駕駛級(jí)別如圖1所示。
圖1：汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）定義的車輛自動(dòng)駕駛級(jí)別。（來源：SAE）
本文將重點(diǎn)介紹先進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車傳感系統(tǒng)的體系架構(gòu)，以及用于在汽車子系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和接口。我們還將探討干擾源，并提出減輕這些有害信號(hào)可能對(duì)車輛安全運(yùn)行產(chǎn)生影響的技術(shù)。
自動(dòng)駕駛車輛系統(tǒng)架構(gòu)
在自動(dòng)駕駛汽車中，“電子駕駛員”的眼睛和耳朵包含有無數(shù)種不同的傳感器，參見圖2，所有傳感器都聯(lián)網(wǎng)到中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由其負(fù)責(zé)在任何駕駛情況下安全地導(dǎo)航車輛。
圖2：先進(jìn)的自動(dòng)駕駛車輛感應(yīng)系統(tǒng)。（來源：Littelfuse）
傳感器包括用于能夠在車輛前方很長(zhǎng)距離檢測(cè)其它車輛、行人、各種移動(dòng)物體的遠(yuǎn)程RF雷達(dá)，以及具有機(jī)器學(xué)習(xí)卷積網(wǎng)絡(luò)的視頻子系統(tǒng)，以檢測(cè)行人、道路標(biāo)志和車道偏離。其他傳感器包括360度視頻攝像頭系統(tǒng)，用于使車輛知曉周圍移動(dòng)或靜止物體情況。為了始終準(zhǔn)確地確定車輛位置，高性能GNSS導(dǎo)航可提供厘米級(jí)定位精度和導(dǎo)航推測(cè)（Dead Reckoning）能力，即使當(dāng)車輛進(jìn)入城市中典型的城市街谷或通過隧道時(shí)，也可以進(jìn)行精確導(dǎo)航。
可靠且強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CAN和以太網(wǎng)互連子系統(tǒng)具有可接受的（<5ms）延遲級(jí)別。視頻和雷達(dá)子系統(tǒng)的趨勢(shì)是，它們?cè)絹碓蕉嗟匕C(jī)器學(xué)習(xí)推理引擎，以便在檢測(cè)到物體時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和分類，而不是將額外的計(jì)算工作量交由中央系統(tǒng)。該方法還減少了實(shí)時(shí)延遲，這對(duì)于以超過30m/s（70mph/112kph）速度行駛的車輛來說是一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。延遲會(huì)影響及時(shí)的決策，并妨礙將云連接用于任何實(shí)時(shí)駕駛?cè)蝿?wù)。例如，一個(gè)4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的典型往返延遲為60毫秒，根據(jù)上述速度，車輛已經(jīng)行駛過1.8米。FlexRay和LIN是另外兩個(gè)廣泛使用的汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
為了滿足車輛信息娛樂系統(tǒng)和視頻傳輸要求，HD BaseT正在逐漸成為一種可行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。HDBaseT結(jié)合了HDMI和以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使用單根電纜即可將音頻、視頻、以太網(wǎng)、100W以太網(wǎng)供電（PoE）、系統(tǒng)控件和USB匯聚在一起。這個(gè)協(xié)議針對(duì)不同層面進(jìn)行了優(yōu)化，建議采用單個(gè)非屏蔽電纜對(duì)來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)15m的設(shè)備連接。通過將不同的傳輸內(nèi)容整合到一根電纜，還可以節(jié)省大量的電纜重量、安裝工作量和材料成本。
為了使自動(dòng)駕駛車輛安全可靠地運(yùn)行，所有相互連接且相互依賴的系統(tǒng)都需要連續(xù)且無故障運(yùn)行。如果傳感器開始出現(xiàn)故障，或者監(jiān)控電路子系統(tǒng)檢測(cè)到性能不及標(biāo)準(zhǔn)，則必須立即發(fā)出警報(bào)，通知中央計(jì)算機(jī)以啟動(dòng)故障保護(hù)安全停車。
技術(shù)挑戰(zhàn)以及解決策略
電子傳感器和相關(guān)子系統(tǒng)通過利用高度復(fù)雜的模擬和數(shù)字組件來運(yùn)行，這些設(shè)備容易受到電氣瞬態(tài)、電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）等干擾。瞬態(tài)產(chǎn)生自電源軌，源于dV/dt的快速開關(guān)，并會(huì)產(chǎn)生比額定電源電壓大許多倍的電壓尖峰。大功率馬達(dá)和其他電感性負(fù)載在運(yùn)行過程中會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)快速浪涌瞬態(tài)，電動(dòng)汽車中相關(guān)的驅(qū)動(dòng)鏈無疑也是瞬態(tài)來源。而且，用于電動(dòng)轉(zhuǎn)向、舒適性和車身控制的小型馬達(dá)以及電動(dòng)駐車制動(dòng)器也會(huì)產(chǎn)生明顯瞬態(tài)。這些瞬態(tài)可以沿公共電源線通過傳導(dǎo)進(jìn)入子系統(tǒng)，也可能通過連接傳感器的相鄰電纜中的互相感應(yīng)，進(jìn)入到子系統(tǒng)或連接到中央計(jì)算機(jī)的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如果沒有足夠的保護(hù)，瞬態(tài)會(huì)導(dǎo)致微處理器復(fù)位、鎖定，或在極端情況下造成關(guān)鍵組件的物理損壞。
同樣，感應(yīng)的EMI可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)和不穩(wěn)定的系統(tǒng)行為，這些EMI可能出自不同來源，包括無線接入點(diǎn)和智能手機(jī)等等。同樣，也需要加以保護(hù)，以防止EMI明顯地干擾關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)行。
靜電放電對(duì)于敏感電子組件是一個(gè)需要特別關(guān)注的問題。這些敏感電子組件需要在整個(gè)供應(yīng)鏈中和生產(chǎn)過程中進(jìn)行特殊處理，但在最終的應(yīng)用電路中也需要保護(hù)。像瞬態(tài)一樣，靜電放電會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)巨大的電壓尖峰，并且可能是由于車輛橡膠輪胎與道路摩擦，以及人與織物的接觸摩擦而積聚的能量所致。在低濕度地區(qū)行駛的車輛容易產(chǎn)生靜電。
保護(hù)ADAS通信和控制子系統(tǒng)
圖3重點(diǎn)顯示了ADAS通信和控制子系統(tǒng)的主要功能模塊，包括應(yīng)采用的保護(hù)器件。
圖3：ADAS通信和控制子系統(tǒng)以及對(duì)保護(hù)器件的要求。（來源：Littelfuse）
每個(gè)通信鏈路（2、3、4和5）都需要瞬態(tài)和ESD保護(hù)，而且應(yīng)該適合相應(yīng)協(xié)議的電氣規(guī)格和數(shù)據(jù)速率。最快的協(xié)議是以太網(wǎng)，其比特率通常在100Mbps～10Gbps范圍內(nèi)。對(duì)于高速差分以太網(wǎng)接口，推薦的ESD和瞬態(tài)浪涌保護(hù)方法包括使用聚合物ESD抑制器，例如經(jīng)AEC-Q200認(rèn)證的Littelfuse AXGD Xtreme-Guard系列。
圖4顯示了從差分雙絞線到以太網(wǎng)PHY的以太網(wǎng)連接中配置AXGD系列器件的位置。AXGD系列具有快速的響應(yīng)時(shí)間，并能夠吸收高達(dá)30kV和50A的瞬態(tài)，可憑借單個(gè)封裝保護(hù)差分對(duì)。同樣，由于其電容值極低，ESD保護(hù)不會(huì)影響高達(dá)1Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。
圖4：用于以太網(wǎng)收發(fā)器的聚合物ESD保護(hù)器件功能框圖。（來源：Littelfuse）
對(duì)于CAN收發(fā)器接口，建議使用二極管陣列來保護(hù)系統(tǒng)免受快速瞬態(tài)和ESD影響。
采用齊納二極管進(jìn)行瞬態(tài)電壓抑制（TVS）的另一個(gè)示例是Littelfuse SZ1SMB系列600W TVS二極管。SZ1SMB系列可理想用于圖3中的Item 1等電源，具有出色的鉗位能力、快速響應(yīng)時(shí)間，并可吸收高浪涌瞬態(tài)。
汽車電子標(biāo)準(zhǔn)
在為汽車電子系統(tǒng)而選擇瞬態(tài)和ESD保護(hù)器件時(shí)，建議應(yīng)該對(duì)適用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有所了解。有三個(gè)最基本的ISO標(biāo)準(zhǔn)，即ISO7637-2，ISO16750-2和ISO10605：2008。除了這些標(biāo)準(zhǔn)之外，汽車電子理事會(huì)（AEC）還制定了一系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中確定了汽車電子系統(tǒng)中使用器件的機(jī)械、電氣和環(huán)境應(yīng)力要求。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括用于半導(dǎo)體和二極管等分立元件的AEC-Q101，以及用于電容器、電阻器和電感器等無源元件的AEC-Q200。
結(jié)論
保護(hù)自動(dòng)駕駛車輛的電子系統(tǒng)免受瞬態(tài)、EMI和ESD的影響對(duì)于確保汽車連續(xù)、可靠和無故障運(yùn)行至關(guān)重要。自動(dòng)駕駛車輛有望顯著減少交通擁堵，并為駕駛員、乘客和行人提供更安全的道路。通過使用浪涌和靜電保護(hù)元件，設(shè)計(jì)人員將更有信心相信，他們的系統(tǒng)會(huì)足夠強(qiáng)大，且能夠耐受任何不必要的電氣干擾。