汽车车载信息娱乐系统中的电源设计

概述

汽车车载信息娱乐系统，又称车机，是基于车身总线系统和互联网服务而形成的车载综合信息处理系统。本文将专门介绍车机系统中的环视摄像头电源和USB端口设计面临的挑战。 

图1所示的车机电源架构中包含了摄像头电源与USB充电的相关部分。

▲ 图 1：摄像头电源和 USB 充电应用电源架构

MPS 提供的解决方案可帮助设计人员满足环视摄像头电源和 USB 充电应用要求。

环视摄像头电源解决方案

将环视摄像头的图像处理集成到车机的主处理器是当下车机发展的新需求。如图2所示，环视摄像头模组一般分布在车身四周，通过长距离同轴电缆将数据和电力传输到位于驾驶室中控的中央处理器（CPU）。

▲ 图2: 环式摄像头将数据传输给CPU

一般而言摄像头内部的模组供电低于5V，然而考虑到长距离的线路压降或其他压降原因（如Cold crank冷启动），有些OEM会设定车机摄像头的供电在8V-10V左右。这样的供电要求对汽车电池而言颇具挑战。

举例来说，当汽车在做“冷启动”等测试时，电池电压最低可能跌至5V。与此同时，正常工作范围又需要支持最低9V的电压。采用标准降压DC/DC变换器难以使摄像头电压轨满足此要求。而先降压再升压的两级电源架构尽管可用，但效率低，而且PCB占板面积大。

MPS公司的MPQ8873-AEC1产品此时脱颖而出。除了不增加复杂性，这款单片同步 DC/DC升降压变换器还具有多项优势。

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更高效的架构

图3对两级电源架构和高效一体化升降压架构进行了比较。

▲ 图3:电源架构的比较

对于升压（Boost）拓扑，即使通过EN关断IC，其输出电压（VOUT）仍然等于输入电压（VIN)，除非串联额外的开关，否则无法完全关断后级负载。而采用MPQ8873-AEC1（这类单级升降压（Buck-Boost）拓扑，不仅效率高、布板面积小，其输出供电通过使能EN也完全可控。

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更简单的布局

MPQ8873-AEC1 具有内置4个MOSFET的Buck-Boost拓扑，可动态调节输出电压（如图4所示）。

▲ 图4: MPQ8873 的四个集成 MOSFET

相比传统电路，其外围电路极其简单，除必要的滤波电感电容和自举（BST）电容外，几乎没有其他元件。

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更高的效率

MPQ8873-AEC1 内部集成10mΩ/25mΩ 上管MOSFET（HS-FET）和下管MOSFET（LS-FET）。在VIN = 13.5V、VOUT = 11.5V 和负载电流 (ILOAD) = 3A 的测试条件下，其效率超过95%（如图5所示）。

▲ 图5: MPQ8873效率曲线(VIN = 13.5V, VOUT = 11.5V, ILOAD = 3A)

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更佳的EMI性能

MPQ8873-AEC1 的布局能够最小化输入与输出功率环路。该器件还支持频率扩展 (FSS)功能，从而可进一步降低 EMI。图 6 显示了MPQ8873-AEC1的最小环路设计。

▲ 图6: MPQ8873 的最小环路设计

全能的车机USB连接端口解决方案

车机内的CPU通常会接收来自不同位置的多个USB的数据，其中有位于扶手箱的，也有来自前面板的。位于扶手箱内的USB充电和数据端口，一般会在远端配备USB充电IC和HUB芯片，这些端口集束数据并发送给CPU（如图7所示）。而位于前面板的USB端口会将USB充电功能集成在车机中，而这会对USB充电IC提出新的挑战。

▲ 图7: 数据从多个USB端口传递给CPU

MPS提供的单片降压开关模式变换器MPQ4228-C-AEC1 具备多种优势，可以解决 USB 充电 IC 面临的难题。

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更强的通用性

MPQ4228-C-AEC1 可以配置成USB-A或者USB-C。由于支持USB BC1.2 CDP协议，其充电口能够在手机和汽车进行USB输出交互的同时，提供大约10-15W左右的充电功率。

▲ 图8: MPQ4428-C 支持 USB-A、USB-C 和 CDC 协议

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更细节的考量

由于车机和前面板USB充电端口有一段距离，再加上手机充电线缆本身也有一段长度，真正到达手机端口的电压相比于车机的输出电压可能有较大的压差。MPQ4228-C-AEC1 具有线损补偿功能，充电电流越大，MPQ4228-C-AEC1的输出电压越高。线损补偿的斜率可以通过外置电阻设计，灵活方便。

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更安全的防护

在汽车充电端口的实际使用中，有时候会出现手机充电线缆的接头误插入错误端口的情况。MPQ4228-C-AEC1 具有VBUS/DM/DP/CC等I/O引脚的电池短路保护功能。这样的保护功能可以避免上述事故对汽车充电IC造成损坏。

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更完善的数据信号链传输

眼图是评估USB2.0信号完整性的测试，MPQ4228-C-AEC1 具有极其出色的眼图性能（如图9所示）。在USB2.0 DMDP数据经过MPQ4228-C-AEC1 内部数据开关时，采用150cm的线缆，也能通过眼图的测试。

▲ 图9: MPQ4228-C通过眼图测试

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更优异的EMI性能

MPQ4228-C-AEC1 提供频率扩展（FSS）功能以提升EMI性能，其评估板能够在不加屏蔽罩及共模电感的条件下，通过国标等级5的测试。

▲ 图10: MPQ4228-C优异的EMI性能

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全面的USB-IF认证

MPQ4228-C-AEC1 能够通过USB-IF的相关认证，尤其是其内部独有的过流保护（OCP）机制，能够使器件通过Apple MFI R33认证。在进行过流瞬态脉冲测试时，即使发生短暂过流，MPQ4228-C-AEC1也能够维持住VBUS 电压而不至于关断保护。

▲ 图11: MPQ4228-C 在负载过流期间仍保持 V_BUS

结论

本文对摄像头电源和 USB 充电所面临的需求难点提出了解决方案。其中，MPQ8873-AEC1 被用作环视摄像头模块的解决方案，而MPQ4228-C-AEC1 被用于解决 USB 充电挑战。MPS强大而灵活的产品组合能够为现代车机系统的设计提供众多优势。

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原文标题：汽车车载信息娱乐系统中的电源设计

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