如何为 ADAS 处理器提供超过 100A 的电流

随着汽车智能化的飞速发展，高级驾驶辅助系统(ADAS)在提升驾驶安全性和舒适性方面发挥着越来越重要的作用。ADAS 处理器作为系统的核心，承担着处理大量传感器数据、执行复杂算法的重任，其对电流的需求也日益增长。为 ADAS 处理器提供超过 100A 的电流，已成为当前汽车电子设计领域的关键挑战之一。

一、高功率能源供应系统设计

(一)多通道电源设计

为满足 ADAS 处理器对大电流的需求，采用多通道电源设计是一种有效的策略。通过将多个电源模块并联，可以显著增加电流输出能力。例如，德州仪器(TI)的 TPS62876-Q1 降压转换器系列，其单个器件的最大额定电流为 15 至 30A，但它们具备堆叠功能。多个 TPS62876-Q1 转换器能够协同工作，通过将五个 30-A 的 TPS62883-Q1 版本并联运行，可实现总额定电流为 150-A 的输出，从而为 ADAS 处理器提供充足的电流。在进行多通道电源设计时，要确保各个电源模块之间的均流性能良好。以堆叠式 TPS62876-Q1 降压转换器为例，为在堆栈模式下实现最佳均流，两个器件应以相同的开关频率工作，这可通过每个器件的 FSEL 引脚进行编程。同时，主器件控制一个补偿网络、一个 POWERGOOD 引脚、一个 ENABLE 引脚和一个 I²C 接口，并且堆栈中的所有器件需编程为使用相同的电流额定值、开关频率和电流电平，以此保证各通道输出电流的一致性，避免某个通道因电流过大而损坏。

(二)电源线路布线与保护电路

合理的电源线路布线对于稳定的电流供应至关重要。大电流传输时，线路电阻会产生显著的电压降，影响处理器的正常工作。因此，应选用低电阻的导线，如高质量的铜线或具有低电阻且能承受高电流的铝线。导线的横截面积也需根据电流大小进行合理选择，以降低电阻。同时，要优化线路布局，尽量缩短电源与处理器之间的距离，减少线路电感，降低电流传输过程中的损耗。保护电路是确保 ADAS 处理器安全运行的重要环节。在供电过程中，可能出现过电流、过电压和过热等问题。过电流保护器可实时监测电流大小，当电流超过设定阈值时，迅速切断电路，防止过大电流烧毁处理器。过热保护器则用于监测电源模块或处理器的温度，一旦温度过高，立即采取散热措施或降低电流输出，避免因过热导致器件性能下降甚至损坏。过电压保护器能有效防止电源电压异常升高对处理器造成损害。

二、散热系统设计

ADAS 处理器在高电流工作状态下会产生大量热量，如果不能及时散发，将导致处理器温度过高，性能下降甚至出现故障。因此，设计有效的散热系统是保障处理器稳定运行的关键。

(一)散热片的应用

散热片是最常用的散热方式之一。通过将散热片紧密贴合在处理器表面，利用其较大的表面积将热量传导到周围空气中。在选择散热片时，要考虑其材质、表面积和散热结构。材质方面，铜和铝因其良好的导热性能成为常见选择。铜的导热率高，但成本相对较高;铝的导热率稍低，但重量轻、成本低。散热片的表面积越大，散热效果越好，因此通常会设计成具有复杂鳍片结构的形状，以增加与空气的接触面积，提高散热效率。

(二)风扇散热

风扇可加速空气流动，带走散热片上的热量，进一步增强散热效果。在使用风扇时，要注意风扇的风量和风压参数。风量决定了单位时间内通过散热片的空气量，风压则影响空气能否顺利穿过散热片的鳍片间隙。对于 ADAS 处理器的散热需求，需要选择合适风量和风压的风扇，并合理布置风扇位置，确保空气能够均匀地流经散热片，达到最佳散热效果。同时，要注意风扇运行时产生的噪音问题，避免对驾驶环境造成干扰。

(三)液冷系统

对于一些对散热要求极高的 ADAS 处理器应用场景，液冷系统是更优的选择。液冷系统通过循环冷却液来吸收处理器产生的热量，并将热量传递到散热器中散发出去。冷却液具有较高的比热容，能够吸收大量热量而自身温度升高较小。与风冷相比，液冷系统的散热效率更高，能够更有效地控制处理器温度。在设计液冷系统时，要考虑冷却液的选择、循环泵的功率以及散热管路的布局等因素。冷却液应具有良好的导热性、化学稳定性和低腐蚀性。循环泵的功率要足够大，以保证冷却液能够在管路中顺畅循环。散热管路的布局要合理，确保冷却液能够均匀地吸收处理器各个部位的热量。

三、电流传输和分配设计

(一)低电阻线路和连接器的选择

在传输超过 100A 的大电流时，线路和连接器的电阻对电流传输效率和稳定性影响巨大。选择低电阻的线路是关键，如前文所述，高质量的铜线或特定的铝线能够有效降低电阻。此外，连接器的接触电阻也不容忽视。劣质连接器的接触电阻较大，容易在大电流通过时产生过多热量，甚至导致连接器烧毁。因此，要选择接触电阻小、耐久性好的连接器，确保高电流传输的可靠性。例如，一些采用特殊镀层和结构设计的连接器，能够降低接触电阻，提高电流传输能力。

(二)电流分配的优化

为了确保 ADAS 处理器的各个部分都能获得稳定、合适的电流，需要对电流分配进行优化设计。这涉及到对处理器内部各个模块的电流需求进行精确分析，然后通过合理的电路布局和设计，将总电流均匀、准确地分配到各个模块。可以采用分层式的电流分配网络，先将总电流分配到各个主要的功能区域，再由这些区域的子电路将电流进一步分配到具体的芯片或模块。同时，要使用电流监测和调节电路，实时监测各部分的电流大小，并根据需要进行微调，保证电流分配的准确性和稳定性。

四、保护电路设计

(一)过电流保护

过电流保护是保护电路中的重要环节。当电路中出现异常大电流时，过电流保护器能够迅速响应，切断电路或采取限流措施，防止 ADAS 处理器因过电流而损坏。常见的过电流保护方法包括使用保险丝、电流传感器结合控制器等。保险丝是一种简单有效的过电流保护元件，当电流超过其额定值时，保险丝熔断，切断电路。电流传感器则可以实时监测电流大小，并将信号传输给控制器，控制器根据预设的阈值判断是否发生过电流。一旦检测到过电流，控制器可通过控制继电器或功率开关管等方式切断电路，或者通过调节电源输出电压等方式进行限流。

(二)过热保护

如前所述，ADAS 处理器在高电流工作时容易产生大量热量，过热保护对于防止处理器因过热而损坏至关重要。过热保护器通常采用温度传感器来监测处理器或关键部位的温度。当温度超过设定的安全阈值时，过热保护器会触发相应的保护动作。可以通过控制风扇转速加快散热，或者降低处理器的工作频率和电流，以减少热量产生。在一些高端的汽车电子系统中，过热保护还可以与车辆的故障诊断系统联动，当检测到过热情况时，向驾驶员发出警报，并记录相关故障信息，以便后续维修和分析。

(三)过电压保护

过电压同样可能对 ADAS 处理器造成严重损害。过电压保护电路的作用是在电源电压异常升高时，迅速将电压限制在安全范围内，保护处理器免受过高电压的冲击。常见的过电压保护器件有稳压二极管、金属氧化物压敏电阻(MOV)等。稳压二极管在反向击穿状态下能够稳定电压，当输入电压超过其稳压值时，稳压二极管导通，将多余的电压钳位在一定范围内。MOV 则是一种非线性电阻元件，在正常电压下，其电阻很大，几乎不导通;当电压超过其阈值时，电阻迅速减小，通过大电流，将电压限制在安全水平。

五、效率优化

(一)高效率 DC-DC 转换器的选择

DC-DC 转换器在将汽车电源系统的电压转换为 ADAS 处理器所需电压的过程中，其效率直接影响到能源利用率和热量产生。选择高效率的 DC-DC 转换器能够减少能源消耗，降低系统发热，提高整个 ADAS 系统的性能和可靠性。例如，TI 的一些 DC-DC 转换器采用了先进的功率转换技术，具有较高的转换效率。在轻负载和重负载条件下，这些转换器能够自动调整工作模式，以保持高效率。在中等和重负载下，它们以脉宽调制(PWM)模式运行，而在轻负载下切换到非连续导通模式，从而最大限度地减少能量损耗。此外，一些 DC-DC 转换器还具备智能功率管理功能，能够根据处理器的实际负载动态调整输出功率，进一步提高效率。

(二)功率管理技术和休眠模式的应用

除了选择高效率的 DC-DC 转换器，采用先进的功率管理技术和休眠模式也是优化 ADAS 处理器功耗的重要手段。功率管理技术可以根据处理器的工作状态，实时调整其供电电压和电流。当处理器处于低负载运行状态时，适当降低供电电压，以减少功耗;当处理器需要处理大量数据，进入高负载运行状态时，再提高供电电压和电流，确保其性能。休眠模式则是在处理器暂时不需要工作时，将其切换到低功耗状态，几乎不消耗电能。例如，当车辆处于停车状态且 ADAS 系统部分功能不需要运行时，处理器可以进入休眠模式，仅保留必要的监测功能。当有需要时，如驾驶员启动车辆或检测到周围环境变化，处理器能够迅速从休眠模式唤醒，恢复正常工作，这种方式有效减少了不必要的功耗，提高了能源利用效率。

为 ADAS 处理器提供超过 100A 的电流是一个复杂而系统的工程，需要从能源供应、散热、电流传输与分配、保护电路以及效率优化等多个方面进行综合设计和考量。通过合理运用先进的电子技术和设计理念，能够确保 ADAS 处理器在高电流环境下稳定、高效地工作，为实现更高级别的自动驾驶功能奠定坚实基础。随着汽车电子技术的不断发展，未来还将有更多创新的解决方案涌现，以满足 ADAS 系统日益增长的高性能需求。