电源芯片的选择与设计挑战

智能汽车座舱中通常都配备多种可增强驾驶体验的功能。例如，全液晶中控屏和高清显示屏可以让用户体验更流畅、更简单；驾驶员通过语音识别功能可以拨打电话，还能实现智能导航；高品质的音响和氛围灯，就可以拥有观影和听音乐的沉浸式体验。此外，无线下载 (OTA) 技术能够将驾驶员的手机与车载系统无缝连接；智能座舱甚至可以监控驾驶员状态，提供紧急路况预警，驾驶也更加安全了。

汽车智能座舱不仅是功能强大的出行助手，也是连接用户与数字智能的桥梁。消费者与车辆之间频繁、密切的接触均通过座舱体现；通过座舱系统，消费者能够具体地看到汽车越来越智能、越来越创新。

根据 iCVTank 的数据，2020 年全球智能座舱市场价值 231 亿美元，预计到 2026 年将达到 440 亿美元。其中以车载信息娱乐市场规模最大，占比达到 64.3%；其次是占 27.05% 的座舱显示系统和占 4.62% 的抬头显示系统。在影响用户购买决策的关键因素（如功率、空间和价格）当中，座舱的可配置性已成为重要的考量因素。

本文将通过介绍 MPS 与芯驰科技联手合作的参考板，探讨汽车智能座舱解决方案的硬件支持系统，另外还将讨论三个关键的电源方案，包括一级电源、二级电源以及背光驱动方案。

汽车智能座舱的计算能力

2021 汽车智能座舱白皮书 指出，主 SoC 的计算能力是决定座舱功能与性能的关键。而中央处理器 (CPU) 的计算能力主要通过每秒百万条指令（Dhrystone DMIPS）来衡量，DMIPS 是指每秒处理多少百万机器语言指令。为了满足不断延展的应用覆盖范围，CPU 的计算能力要求也日益增长。截至目前，超过 20kDMIPS 的 SoC 足以满足智能座舱处理器的要求，并且需求还在不断提高。

汽车智能座舱可以提供多种功能，包括抬头显示系统、视觉感知系统和语音交互系统等。图 1 对智能座舱系统的典型功能给出了概览。

图 1: 智能座舱的典型功能

我们将通过高性能的芯驰 X9 芯片来探索智能座舱解决方案的硬件架构（见图 2）。

图 2：芯驰 X9 系列座舱芯片（图片来源：芯驰科技）

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文章

汽车信息娱乐系统的电源设计（上）

了解一级电源和二级电源的特性

参考设计

Versal AI Edge（汽车级）全电源管理参考设计

从冷车启动到负载突降

汽车瞬变入门

X9 系列处理器是芯驰科技面向新一代汽车电子座舱的车规级芯片。该系列新型智能座舱技术集成了高性能 CPU、图形处理单元 (GPU)、AI 加速器、视频编解码处理器以及其他加速单元。单个 X9 处理器可同时驱动多达 10 台高清显示器（如仪表盘、中控台、后视镜和后排娱乐系统），并支持多屏共享与交互，以满足未来汽车智能座舱的功能需求（见图 3）。X9 处理器还集成了丰富的接口和总线协议，如 PCIe、USB、CAN-FD（弹性数据速率控制器局域网）和以太网。因此，该系列处理器能够以低成本无缝衔接各类车载系统。

 

X9 系列包括 X9E、X9M、X9H、X9HP 和 X9U。这些处理器配备了不同数量的 CPU 和 CPU 内核，最大算力达到 100k DMIPS，覆盖液晶显示屏（LCD）仪表、中控导航、高端智能座舱等多种座舱应用场景。此外，X9 全系列均兼容多种软硬件，可以帮助客户降低开发成本，缩短开发周期，而且一次设计就可适用于不同模型的应用。

MPS 与芯驰科技联手开发 X9H 参考板

X9H 是 X9 系列中的高性能型座舱芯片，采用 6 核 A55 外加数个 R5 核，CPU 算力高达 36K DMIPS，GPU 算力高达 140 GFLOPS。MPS 与芯驰联手合作开发的 X9H 参考板，可以实现多达 4 屏联动的智能座舱解决方案。该参考板的输入端直接由 12V 电池供电。由于 SoC 的供电轨通常多为低于 1V 的电压等级，因此建议采用两级电源方案以提高系统转换效率，同时应对冷启动和抛负载情况下的电池电压波动。

一级电源方案

一级电路采用 MP4436-AEC1 将 12V 电源转换为 5V。MP4436-AEC1 是一款频率可调的汽车级同步降压开关稳压器，其最大输入电压 (VIN) 为 45V，最大输出电流 (IOUT) 为 6A， 同时支持并联配置（参见图 4）。

图 4：MPS 一级电源方案：MP4436-AEC1

MP4436-AEC1 的功能特性描述如下：

4mm x 4mm 超小封装尺寸减小了布板面积；

超高转换效率支持舱内复杂环境的散热；

动态性能为后级电路提供了稳定的输出；

支持多颗并联的可拓展性增加了客户设计的灵活性和平台的传承性；

丰富的内部保护功能确保了系统可靠性，如带打嗝模式的过流保护（OCP）和输入欠压保护（UVP）。

还有具有展频功能(FSS)版本的 MPQ4436A-AEC1，展频功能可降低系统的 EMI 干扰，降低客户整板的 EMI 设计难度，客户可以根据需求灵活选择。

二级电源方案

MPQ217x 汽车级开关稳压器系列可实现与 X9E、X9M 和 X9H 之间灵活的引脚对引脚兼容。该系列稳压器包括 MP21777-AEC1(1A I)OUT)、MP2178-AEC1(2A I)OUT) 和 MPQ2179-AEC1(3A一)OUT)，这些器件均支持不同平台中的统一硬件布局。

以 X9H 为例，根据不同 SoC 电源轨的电流要求，其二级电路由多个 MPQ2179-AEC1 和 MP2167A-AEC1(6A I)OUT）组成。

图 5 显示了二级电源解决方案的系统架构。

图 5：二级电源解决方案系统架构

采用 MPQ2179-AEC1 和 MP2167A-AEC1 实现的二级电路具备如下优势：

MPQ2179 和 MPQ2167A 是专门针对 5V 应用如信息娱乐系统、ADAS、摄像头和智能座舱等设计的，这些应用均要求快速瞬态响应、超低噪声、高精度输出以及良好的散热性能。

采用 MPS 最新的 Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 低电阻工艺，再结合先进的倒装芯片封装工艺，可实现较高的系统效率。

MPQ2179-AEC1 的 2.4MHz 高开关频率 (fSW) 减小了电感尺寸，避开了 AM 无线电频段，而且降低了对汽车无线电频段的干扰。

MP2167A-AEC1 采用小尺寸 (3mmx3mm) 封装，其工作频率可通过外部电阻设置，最高可达 2.2MHz。该器件还集成了丰富的保护功能，包括逐周期过流保护（OCP）、输出短路保护（SCP）、输入欠压保护（UVP）和输出过压保护（OVP）。

背光驱动方案

X9H 最多可支持四路全高清显示，其屏幕点亮和调光均需要背光驱动芯片。以 MP3364-AEC1 为例，该器件为一款升压 WLED 驱动器，最大工作频率为 2.2MHz，每通道最大驱动电流为 150mA，可支持高达 50V 的最大输出电压 (VOUT)（参见图 6）。

图 6：MP3364-AEC1 典型应用功能框图

MP3364-AEC1 的功能特性描述如下：

支持 I2C 接口，且芯片本身支持 3 个 I2C 地址，同一条 I2C 总线可以支持挂 3 颗芯片，方便使用时对多颗芯片进行配置；

提供三种可用调光模式：脉宽调制（PWM）调光、模拟调光和混合调光（PWM 和模拟调光），可通过外部引脚进行选择。PWM 调光比和模拟调光比分别达 15000:1 和 200:1 ，精细的调光比可实现屏幕亮度的微调。

支持逐周期电流保护、LED 开路保护和短路保护（SCP）、电感短路保护（SCP0）、输出过压保护（OVP）和过温保护（OTP）。丰富的内部保护功能确保了背光驱动系统安全可靠的运行。

图 7 展示了 X9H 参考板的多屏交互解决方案，其中面板由 MP3364-AEC1 驱动。

图 7：X9H 参考板的多屏交互解决方案（资料来源：芯驰科技）

结语

汽车智能座舱中 SoC 的技术进步对计算能力、主频和动态响应速度提出了更高的要求。与此同时，它还要求单 Phase 或多 Phase 的输出电流等级更高。这些因素的综合将对电源芯片的选择与设计带来新的挑战。

为应对这些挑战，MPS 与芯驰科技联手开发 X9H 参考板，共同打造出一款智能座舱解决方案。本文介绍的两级供电方案不仅可以提高系统的转换效率，还能支持电池电压的波动，同时还提供了背光驱动方案。随着汽车电源行业的持续发展，MPS 不断创新并推出极具竞争性的产品组合，引领了智能座舱的变革。       


审核编辑：彭菁