面向智能驾驶控制器的电源系统变化分析综述

汽车文摘
于继成1，
2
王强1，
2
赵目龙1，
2
（1.中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家
重点实验室，长春130013）
【摘要】智能化、网联化推动汽车行业转型升级，控制器硬件系统正不断的向着更高性能的方向发展。

随着智能驾驶
控制器的器件应用越来越多、计算处理能力越来越高、接口越来越丰富、传感器负载越来越大，对电源系统的需求不论是在电源电压的种类上、电流大小上、供电时序上都与传统控制器的供电需求产生了极大的变化。

面对新的电源系统的需求，本文旨在对智能驾驶控制器的电源系统的变化展开详细的分析讨论，对智能驾驶控制器的电源系统的变化与设计方案给出建议。

主题词：电源冗余唤醒大电流时序智能驾驶控制器
中图分类号：U463.61文献标识码：A DOI:10.19822/ki.1671-6329.20200129
Power System Change Analysis for Intelligent Driving Controllers
Yu Jicheng,Wang Qiang,Zhao Mulong
（1.Intelligent and Connected Vehicle Development Institute,China FAW Corporation Limited,Changchun 130013；2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise &Safety Control,Changchun 130013）【Abstract 】At present,the development of intelligent and connected technologies promotes the transformation and
upgrading of the automotive industry,which also gives controller hardware system a boost to develop towards higher performance.Therefore,intelligent driving controller devices are applied more and more extensively;the computer processing is more and more powerful;the interface becomes more and more abundant;the loads that connected to the sensors are more and more plentiful.As a result,the demands for power system,no matter in the voltage types of power,current size or the power supply timing,are changing a tremendously with the traditional ones of car's controller.Facing the
demands of the new power system,this paper aims to give a detailed analysis and discussion on the changes of the power system of the intelligent driving controller,and give some suggestions on the change and design of the new power system of the intelligent driving controller.
Key words:Power supply,Redundancy,Wakeup method,Large current,Timing,Autonomous
driving ，Controller
【引用】于继成，王强，赵目龙.面向智能驾驶控制器的电源系统变化分析综述[J].汽车文摘，2021(1):7-10.
【Citation 】Yu J,Wang Q,Zhao M.Power System Change Analysis for Intelligent Driving Controllers [J].Automotive Digest (Chinese),
2021(1):7-10.
面向智能驾驶控制器的电源系统变化分析综述
1前言
近年来，在智能驾驶技术的推动下，汽车向着更便捷、更安全、更舒适和更智能的方向发展。

随着智能软件的发展，通信网络的提升，高精硬件传感器的兴起，以及机器人技术和人工智能领域取得的成就，非智能汽车的时代即将结束[1]。

纵观世界汽车，Tesla 、谷歌Waymo 、通用Cruse 、Uber 、宝马、奥迪、大众等，纷纷布局智能驾驶功能业务。

同时，面向新的智能驾驶
的海量数据交互的需求，各大车企主机厂纷纷开始设计新的汽车网络架构，集成更多功能的域控制器呼应而出。

相应的面向智能驾驶的域控制器的研发需求也日益增长。

在智能驾驶的发展中，除了智能驾驶控制器本身越来越复杂之外，新入局的智能驾驶芯片创业公司也带来了新的平台可选方案，如国内的黑芝麻科技的华山系列芯片、地平线的征程系列芯片等，均对电源系统提出了新的需求。

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2021年第1期
本文将从智能驾驶控制器的新的电源系统需求的角度出发，深入挖掘文献，总结了近年来智能驾驶控制器和电源技术研发现状、技术进展和发展趋势，阐述了新的电源系统选型的新方法，为智能驾驶控制器选型提供参考。

2电源系统的变化分析
2.1
电源输入冗余的变化
有别于传统汽车单蓄电池供电的方案，在智能驾驶汽车上，在功能安全要求下，需要对电池进行冗余备份来满足供电系统的高可靠性要求，同时还要满足智能驾驶控制器较大的功耗需求。

在随着汽车控制器越来越多，导致静电流越来越大的情况下，对电池的容量同时也提出更高的需求。

综上所述，双蓄电池供电成为当前智能驾驶控制器较为实用的供电解决方案。

双电源供电输入系统的冗余对蓄电池电压状态的检测及故障切换响应时间有较高要求。

图1为常见的双电池供电输入系统。

图1
双电池供电冗余系统示意
2.2
电源唤醒方案的变化
2.2.1电源唤醒概述
控制器唤醒的方案分为2类，第1类是唤醒源接
在电源网络开关上，第2类是唤醒源接在主控芯片的唤醒引脚上。

接在电源网络上的唤醒方案往往比接在主控芯片上的唤醒方案具有更低的静电流，本章节主要讨论基于接在电源网络上的唤醒方式。

在传统车载控制器产品中，唤醒方案主要是通过钥匙门唤醒、CAN 总线唤醒以及LIN 总线唤醒。

在智能驾驶控制器的唤醒方案中除上述唤醒源之外，还增加了以太网的唤醒功能及RTC 定时唤醒的功能。

唤醒源连接关系详见图2。

图2
电源系统唤醒源示意
2.2.2以太网唤醒
当前车载以太网芯片公司主要为美国的博通公
司（Broadcom ）、迈威公司（Marvell ）和台湾的瑞昱公司（Realtek ）。

上述公司的车载以太网交换芯片，包含Switch 芯片和PHY 芯片均支持OPEN 联盟的TC10以太网唤醒及休眠标准协议。

传统的CAN 、LIN 唤醒的供电电源使用KL30常电供电，在系统休眠后，当有唤醒报文时候，可通过唤醒专用的INH 引脚输出高电平，从而唤醒系统重新上电工作，并且INH 的电压范围与KL30的电压范围一致。

以太网唤醒的原理与传统CAN 唤醒原理相近，但是对于INH 的唤醒输出信号的电平，Realtek 的以太网交换芯片的唤醒输出INH 的有效电压范围与常电供电KL30一致，而迈威的以太网芯片的INH 输出则不尽相同，详见表1。

表1迈威交换芯片唤醒INH 信号有效电压统计表
如表1所示，迈威的88Q5072的唤醒信号INH 为
OD 输出，虽然可以灵活的与不同电平范围的唤醒接口进行匹配，但是其自身不具备高电平输出的能力，
在电源唤醒设计中需要额外注意。

另外，通过88Q5050及88Q2122的INH 参数可见，其唤醒高电平范围较低，在设计应用是需注意接口电平的匹配。

2.2.3RTC 定时唤醒
在智能驾驶控制器方案中，还用到了RTC 定时唤
醒方案。

关于采用RTC 唤醒的电源方案，电源系统要向RTC 功能模块进行常电电源供电，常见需求是低电压供电1.8V 或者0.8V ，选择电源转换芯片时候需要选择具有低静电流的电压转换芯片，要求转换芯片的静电流控制在10μA 以内。

2.3
电源电压种类增加的变化
传统汽车控制器，以12V 系统为例，系统电压种类较为简单，电源设计主要围绕着将整车电气系统电压的“12V ”转换至模块内部逻辑处理电路的“5V ”或
“3.3V 系统”[2]
，而智能驾驶控制器中的电压种类繁
多，为了满足智能驾驶系统内AI 芯片、以太网交换芯片、高速存储芯片、视频编解码芯片的供电要求，电源系统的供电电压种类通常包含0.6V 、0.8V 、0.85V 、
0.9V 、1V 、1.05V 、1.1V 、1.2V 、1.5V 、1.8V 、2.5V 、
3.3
型号88Q507288Q505088Q2122
分类SWITCH SWITCH PHY
唤醒模块供电
KL30
KL30KL30
INH 有效状态OD 输出
1.4V<INH<1.9V 1.4V<INH<1.9V
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V、5V、8V等等，面对如此多的电压供电种类，依然采用类似于传统控制器电源系统的，分别通过单个电压转换芯片（DCDC或者LDO）来实现显然不是最理想的解决方案，不仅电路板上充满了电源芯片，占据了大量的PCB空间，带来的电磁兼容问题及成本问题都是不能接受的。

在智能驾驶控制器所带来的如此多电压种类的问题，比较优良的解决方案是采用具有多路输出的车规级电源管理芯片，也称为PMIC。

该类芯片的特点是集成度高、输出电压精准，但是也要根据不同的电源系统要求选择最为合适的PMIC。

2.4小电压、大电流的特殊供电需求变化
智能驾驶控制器中的AI芯片的内核主频越来越高、处理能力越来越强大，芯片厂家在提高芯片处理能力的同时，电流的需求也越来越高。

以FPGA为AI 主处理芯片的应用中，在算法没有完全优化的情况下，内核供电0.85V的电源轨道对电流的需求可能达到20A左右，在智能驾驶AI芯片的应用中，某ASIC专用AI感知处理芯片，其内核供电0.8V电流需求约为18A左右。

在智能驾驶控制器中，内核的供电对低电压、小电流的需求突出，除此之外还有DDR、以太网交换芯片及以太网PHY芯片都有低电压、大电流需求，比内核供电电流（通常为10A以上）要小很多，但至少也需要达到1A以上的电流需求。

面向小电压、大电流、满足车规要求的电源解决方案当前非常少，仅有少数厂家的几款电源芯片能够满足使用要求，可选用的范围十分窄。

2.5电源系统新增复杂时序供电的需求变化
智能驾驶控制器中的核心是诸如FPGA、GPU、ASIC、SoC等AI处理芯片，芯片内部高度集成，通常包含有CPU核、GPU核、AI硬件加速单元、丰富的通讯接口、存储接口、视频接口等，电源轨道往往多达数十路，不同电源轨道之间由以前电压不同的一维需求角度变化为电压等级不同、上电时序不同的二维需求角度。

供电的需求变化存在以下变化：2个电源轨道有相同的电压需求，但是上电时序要求不同，此时就必须提供2路不同时序的电源轨道以满足2者时序上的要求，从而导致系统需求的电源轨道路数大幅增加。

在做电源需求分析时候就要比以往的需求分析多了时序这个分析维度。

时序控制方式归纳起来有4种。

（1）级联上电的时序控制，即用上一级电源芯片的输出PGOOD信号控制下一级定远芯片的使能EN 引脚。

缺点是受限于各个电源芯片的固定的软启动时间，无法灵活的控制整个系统各个电源轨道间的时序间隔。

此外，系统会引入非常多的电源芯片，对PCB空间及成本都带来比较大的负面影响。

（2）加入一个电源系统的上电管理控制MCU，通过MCU对各个电源芯片的使能进行控制，虽然解决了能够灵活控制整个系统各个电源轨道之间的时序间隔，保证上电时序的稳定可靠，但是电源芯片数量及成本都比较大。

（3）有一部分比较有实力的AI芯片厂家，他们会针对自己的芯片与电源厂家做定制的专用的电源供电芯片，定制的电源芯片与AI芯片之间有着最优的电压及时序2方面的契合度。

这种方案无疑是一种高效的、省力的、低成本的方案。

但是并非所有的AI 芯片都有专用的电源芯片可用，这是高级的AI芯片厂家的1种做法，这种专用供电电源芯片有很大的应用局限性。

（4）通过OTP技术对具有多路电源输出的PMIC 进行硬件固化编程控制输出，既可以对输出电压进行灵活编程配置、也可以对时序进行灵活的编程配置，这种编程是指在芯片出厂前通过OTP技术固化烧录在PMIC内部，拿到客户手中是1个由客户定制的电源系统级别的供电及时序解决方案，目前市场上已经有满足车规级的可以OTP编程控制输出的电源PMIC芯片可供选择，这种方案的优点是集成化高，单片支持10路以上的电源轨道输出，且时序可摆脱对上述第3种电源方案中的软件程序的依赖，仅仅通过硬件就实现灵活的精准的供电输出控制，而且成本也能得到较好的保证。

3智能驾驶控制器电源系统需求分析
电源系统的需求分析是电源设计的第1步，除了面向系统层面的需求分析，包括电源工作电压范围的定义、控制器工作功耗及静电流的需求、CAN网络通讯工作电压需求、唤醒需求以及EMC测试需求、电性能试验需求等。

在面向控制器内部的IC器件供电需求上面，需要从供电电压大小、电压精度要求、供电电流大小、纹波电流要求、数字供电与模拟供电的需求区分、电源轨道之间的时序要求等。

面向智能驾驶控制器的电源系统需要从这2大方面进行详细的需求分析。

系统负载要求是对电源设计者提出的最大挑战，
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汽车文摘
同时也是开始设计电源之前必须弄明白的事情。

随着智能驾驶控制器系统数量的激增，每个系统都是独一无二的，这也是电源需要进行需求分析与设计的重要原因[3]。

4总结与展望
以上对智能驾驶控制器电源系统各方面的变化分别作了详尽的阐述，面对智能驾驶控制器开发所带来的新的需求，设计师需对电源系统的变化点进行详细的分析与方案论证，以达到电源系统在功能上及性能上均满足车用的要求。

面对电源系统新的需求变化，为智能驾驶汽车电源设计提出挑战，如何设计出合理的方案是各位智能驾驶工程师需要共同面对和解决的重要问题。

展望未来，在智能驾驶的科技发展浪潮下，经过近百年的技术沉淀与发展，终于将要迎来智能驾驶时代的到来，智能驾驶控制器的研发有别于传统控制的开发，仅仅从电源系统的讨论就可以看出，不论是从唤醒方案、电源时序、电压种类、电流大小都产生了新的变化。

而为了满足控制器在实车上各种严苛的工况下能够稳定可靠工作的需求，控制器电源系统的研发更是重中之重，而从整体识别出智能驾驶控制器的电源系统的变化，才能在控制器的开发中从容应对。

对于控制器电源系统未来的发展趋势，本文有以下3点展望：
（1）随着智能驾驶控制器功能安全的要求越来越严苛，电源系统的功能安全将越来越高，从QM级别将达到ASIL-D等级。

（2）随着智能驾驶AI芯片的算力及性能越来越高，电源系统中多种小电压电源需求将越来越多。

（3）随着智能驾驶AI芯片的内核数量及工作主频的升高，内核供电的电压将越来越低，而电流将越来越大，有可能达到20A。

从主机厂的角度出发，对电源系统的需求除满足上述3点展望之外，对成本、散热、可靠性与一致性也是关注的重点。

通过本文的阐述，希望能够对未来的智能驾驶控制器产品的电源系统开发和芯片选型提供参考。

参考文献
[1]Lipson H,Kurman M.无人驾驶[M].上海:文汇出版社, 2017:08.
[2]朱玉龙.汽车电子硬件设计[M].北京:航空航天大学出版
社,2011:176.
[3]Bindra A.Fundamentals of Power Supply Design[Book Re⁃view][J].IEEE Power Electronics Magazine,2017,42(2): 100-101.
作者简介：
于继成，中国第一汽车股份有限公司研发总院智能网联开发院，电路原理设计主管。

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2021年第1期。