在YouTube上有一段1959年的雪佛蘭貝萊爾與慢速行駛的2009年雪佛蘭邁銳寶相撞的精彩視頻。結(jié)果令人驚奇，邁寶銳外觀基本完好，而貝萊爾卻已分崩離析，車內(nèi)的碰撞用測試假人也慘遭不幸。顯然，在過去50年中，對于車禍中幸存相關(guān)技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)步。

　　誠然，我們直到近才開始設(shè)計能夠避免各種碰撞的電子系統(tǒng)（即使司機(jī)沒有變得更加聰明），例如基于激光雷達(dá)的自適應(yīng)速度控制和帶自動牽引力控制功能的側(cè)翻感測。上述兩種系統(tǒng)的實例以及在電氣總線上如何實現(xiàn)更好的拋負(fù)載處理都清晰地表明了芯片設(shè)計人員在實現(xiàn)主動汽車安全系統(tǒng)方面的思路。

　　自適應(yīng)速度控制

　　自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)的工作原理非常類似于我們使用了數(shù)十年的簡單控制系統(tǒng)：駕駛員通過汽車巡航控制功能設(shè)置好想要的車速，隨后汽車將保持這一車速，直到被人為中斷。兩者的區(qū)別表現(xiàn)在該車快要追上前一輛車速較慢的汽車之時。

　　在這種情況下，自適應(yīng)速度控制會把該車的速度降低到設(shè)置值之下，以匹配前輛汽車的速度，同時保持安全距離。為實現(xiàn)這種安全等級，光線檢測和距離檢測（激光雷達(dá)）功能已經(jīng)從過去警察用來追捕超速車輛的工具發(fā)展成了子系統(tǒng)，這種子系統(tǒng)能夠檢測其它車輛的存在，并測量本車與這些車輛之間的距離。

　　激光雷達(dá)子系統(tǒng)可以使用連續(xù)波（CW）或脈沖信號。連續(xù)波系統(tǒng)使用接收器中的相位比較器來檢測發(fā)生相移的發(fā)射信號回波。相移指示了距離，而變化速率對應(yīng)著接近速度。

　　脈沖系統(tǒng)通過計算短光脈沖的飛行時間（TOF）來判斷與前輛汽車的距離和接近速度。通常對于汽車應(yīng)用來說，連續(xù)波系統(tǒng)的實現(xiàn)成本太高，因此大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)使用脈沖式激光。

　　這些系統(tǒng)的常用組件包括電源、電信號源、功率放大器、發(fā)射信號的發(fā)射器以及接收傳感器、放大器、信號調(diào)節(jié)器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。通過ADC將接收到信號的數(shù)字化版本發(fā)送到緩沖存儲器，然后由DSP、FPGA或微控制器恢復(fù)出數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理。德州儀器（TI）使用的ADC能夠緩沖其自己的輸出，因而允許在DSP或FPGA分析處理來自前一脈沖的數(shù)據(jù)之時關(guān)閉IC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分。

    在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的激光雷達(dá)接收信號路徑中的關(guān)鍵模擬元件包含為ADC提供動態(tài)范圍和信號調(diào)整的方法。

　　可適應(yīng)的汽車間距取決于激光輸出功率、光束寬度與排列方式、大氣特性（如大霧）、目標(biāo)反射性能和接收器的靈敏度。

　　雖然激光驅(qū)動器設(shè)計相當(dāng)簡單，但接收器的設(shè)計有幾項關(guān)鍵要求。例如，接收電路設(shè)計工程師可能會使用三種檢測器中的任意一種：硅PIN檢測器（"PIN"指的是半導(dǎo)體堆棧，是由P類、其自身和N類材料組成的三明治結(jié)構(gòu)）、硅雪崩光電二極管（APD）或（可能性不大的）光電倍增管。APD提供了高速、高靈敏度和高可靠性的組合。

　　假設(shè)使用的是APD,那么接收器件將從前一輛車反射回來的光脈沖轉(zhuǎn)換成電流脈沖，再由跨阻放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖。這里需要做出另一項設(shè)計決策。理想的跨阻放大器應(yīng)該具有高增益、高輸入阻抗、超低電壓和電流噪聲以及低輸入電容。

　　在一個典型設(shè)計中，跨阻放大器的電壓輸出將被進(jìn)一步放大，并且在ADC將其數(shù)字化之前還要做進(jìn)一步的信號調(diào)節(jié)。為保證在不同車輛間距下的有效性，模擬前端（AFE）電路要求至少100dB的動態(tài)范圍，這意味著需要使用某種可變增益放大器（VGA）作為模擬電路。另一項設(shè)計決策要考慮ADC輸入是用差分還是單端形式，而這意味著在信號處理方式上信號鏈存在著可變性。

　　激光雷達(dá)接收器

　　TOF測量是影響車輛間距計算的基本因素，它取決于激光點的脈沖寬度和ADC的速度與。在采樣率方面，假設(shè)光速為c,那么采樣率簡單地計算為c除以要求的分辨率。

　　對于車用激光雷達(dá)來說，距離測量的要求大約是±3英尺。在這個前提下，所測量的車間距離必須考慮激光點的來回，即所需的測量分辨率應(yīng)該是3英尺的兩倍，即6英尺。設(shè)光速c等于每秒3× 108米（9.84×108英尺/秒），那么ADC采樣率必須等于（9.84×108）/6或163.9Msamples/s,這意味著采樣間隔在6.1ns的數(shù)量級。

　　針對這類應(yīng)用，TI的200Msample/s ADC08B200A ADC有一些有趣的特性，包括1kB的片上緩存。這款A(yù)DC還帶一個片上時鐘倍頻器，因此可以用低至25MHz的外部時鐘實現(xiàn)200Msamples/s采樣率。

　　在ADC中加入緩存意味著FPGA或DSP可以比帶有緩存的產(chǎn)品更小，還能通過一個獨立的FIFO減少材料清單。

　　集成前端和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

　　毫不令人奇怪的是，TI公司為激光雷達(dá)實現(xiàn)自適應(yīng)速度控制提供了一個集成解決方案，即ADC08B200.除了ADC之外，ADC08B200還集成了時鐘倍頻器，因此允許使用低頻時鐘振蕩器。時鐘倍頻器可以將輸入時鐘頻率乘以1、2、4或8,因此使用低至25MHz的時鐘源就能實現(xiàn)200Msample/s采樣率。外部時鐘源甚至可以與FPGA/DSP/微控制器使用的時鐘相同。

　　此外，這款A(yù)DC的1kB緩存能夠降低對FPGA、DSP或微控制器的速度和復(fù)雜性要求。該緩存能以不超過200MHz的任何速率讀取，也可以旁路掉不用，在這種情況下，數(shù)據(jù)將以ADC采樣率連續(xù)輸出。在讀取緩存時可以將轉(zhuǎn)換器功能關(guān)閉以節(jié)省電能。

　　防止側(cè)翻

　　ADI公司在汽車安全方面提供了多款不同類型的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件。該公司在幾十年前研制氣囊系統(tǒng)的加速度計就開始這方面的研究了。今天，ADI的MEMS陀螺儀可以在汽車處于側(cè)翻危險時通過調(diào)節(jié)剎車壓力來防止某些類型的車禍。如果陀螺儀檢測到汽車即將失控，差動制動器就會啟動以將汽車帶回到平直行駛狀態(tài)。

　　這種陀螺儀系統(tǒng)還被用于GPS系統(tǒng)中的航位推測功能，該功能能夠在臨時失去衛(wèi)星信號時繼續(xù)提供定位信息。

　　據(jù)ADI公司透露，這款陀螺儀的電子和機(jī)械結(jié)構(gòu)都集成在同一基板上。系統(tǒng)由一個機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)和兩組電子元件組成。一組用于驅(qū)動發(fā)生科里奧利（Coriolis）效應(yīng)的諧振器結(jié)構(gòu)中的振動，另一組用于檢測電容結(jié)構(gòu)中由科里奧利力導(dǎo)致的位移。

　　更具體地講，在這種MEMS陀螺儀中，有一個包含諧振塊的框體通過彈簧連接到基板。在一個方向（本例中為上和下）上以諧振頻率驅(qū)動這個諧振塊，而彈簧的安裝相對諧振運(yùn)動呈90度。

　　在汽車行駛過程中，當(dāng)諧振塊遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心移動時，科里奧利效應(yīng)將使它加速往右邊移動，從而給框體施加一個向左的反作用力。當(dāng)諧振塊向旋轉(zhuǎn)中心移動時，將產(chǎn)生一個向右的力。這種移動將改變電容結(jié)構(gòu)中交叉感應(yīng)的叉指間距離，從而導(dǎo)致電容容量的改變，并被讀作角速度的變化。

ADI的MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)（a）包含了一個由彈簧支撐的諧振塊和一個電容部件，在電容結(jié)構(gòu)中，一塊"板"（實際上是一組手指）固定在框體上，

另一塊隨諧振塊移動。當(dāng)它在距運(yùn)動中心的任意距離發(fā)生旋轉(zhuǎn)時（b），發(fā)生的角位移將在振動塊上產(chǎn)生科里奧利效應(yīng)，從而改變電容值。

　　電容是一種由許多叉指組成的平面結(jié)構(gòu)。機(jī)電振蕩器在其諧振點（約15kHz）驅(qū)動這個機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　設(shè)計檢測電路的挑戰(zhàn)非常艱巨。實際諧振器的位移在10 μm數(shù)量級，但電容中的物理位移只有1埃數(shù)量級--大約相當(dāng)于氫原子的尺寸。從電氣角度看，這種位移導(dǎo)致的實際電容變化量約為90aF（attoFarad）。但噪聲的存在意味著電路必須能夠處理約16費米（16×10-15米）移動產(chǎn)生的約12zF（zeptoFarad）電容容量變化。

　　雖然許多讀者對幾乎每個科學(xué)博物館大廳中都會看到的旋轉(zhuǎn)陀螺和傅科擺（Foucault pendulums）中的科里奧利效應(yīng)都非常熟悉，但描述這些器件時只能簡單地說，"就像微型傅科擺一樣。"ADI公司在其線性電路設(shè)計手冊中詳細(xì)解釋了這一過程。

　　陀螺儀用于測量角速度，即物體旋轉(zhuǎn)得有多快。以合適的空間角度組合三個陀螺儀可以提供三維的角運(yùn)動信息：偏航角、傾斜度和搖擺度。

　　MEMS陀螺儀的靈敏度測量單位是每秒每度毫伏（mV/°/s）。例如ADI公司的模擬器件ADXRS300,其額定靈敏度是5mV/°/s,在滿量程輸入300°/s條件下輸出為1.5V.ADI公司更加復(fù)雜的產(chǎn)品可以集成3個軸，并提供具有自校準(zhǔn)功能的數(shù)字輸出。

　　電容變化是非常微小的，這意味著噪聲問題是一個艱巨的挑戰(zhàn)。將包括放大器和濾波器在內(nèi)的電路與機(jī)械傳感器放置在同一裸片上很有必要，這樣可以將以諧振器頻率變化的差分信號依據(jù)相關(guān)性從噪聲中提取出來。

　　一共有兩種噪聲源：隨機(jī)的原子振動以及來自空氣分子的撞擊。奇怪的是，將電容結(jié)構(gòu)裸露在空氣中可以取得更好的性能，即使代價是會產(chǎn)生額外的隨機(jī)噪聲，因為空氣相當(dāng)于給內(nèi)部結(jié)構(gòu)加了一個防震的墊子。

　　ADI公司的某些陀螺儀利用了某種技巧來抑制高達(dá)1000g的沖擊。它們使用兩個諧振塊以差分方式檢測信號，并能抑制與角運(yùn)動不相關(guān)的共模外部加速。

　　兩個諧振塊在機(jī)械上是獨立的，并且驅(qū)動相位差180°。因此，它們測量相同的旋轉(zhuǎn)幅度，但它們的輸出是相反方向的。這樣能抵消同時影響兩個傳感器的非旋轉(zhuǎn)信號，并使得使用兩個信號之差測量角速度成為可能。

　　電源總線上的瞬態(tài)干擾保護(hù)

　　自適應(yīng)速度控制和側(cè)翻保護(hù)都是安全方面的問題。但芯片制造商在汽車產(chǎn)品方面的創(chuàng)新已經(jīng)延伸到了更加基本的系統(tǒng)，例如運(yùn)行這些乘客保護(hù)電子器件的電源總線以及重要性較低的一些系統(tǒng)，包括信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　如何保護(hù)電源總線上的器件免受瞬時電壓的干擾？問題看似簡單，但設(shè)計實現(xiàn)起來并不容易。凌力爾特公司（Linear）的LTC6802和LTEC6803兩款產(chǎn)品可用于監(jiān)視混合動力和純電動汽車（EV）的電池組中各節(jié)電池的性能，這些電池可以向汽車的牽引發(fā)動機(jī)提供數(shù)百伏的電壓。

　　車載電池組是相對較新的產(chǎn)品，但仍存出一個老問題，不過近該問題獲得了一對新的解決方案，凌力爾特公司技術(shù)官Robert Dobkin透露。這些新的IC能夠利用一種尺寸非常小的器件解決較大的電源總線瞬態(tài)干擾問題。

　　自從半導(dǎo)體時代開啟以來，汽車制造商就不得不窮于應(yīng)付電壓峰值問題。由于汽車增加了燃油噴射控制、安全氣囊、衛(wèi)星無線設(shè)備、GPS、ABS和牽引力控制等功能，因此這方面的問題有增無減。由于自動電子器件已經(jīng)基本上掌控了車道控制、躲避行人和相對位置保持功能，那么當(dāng)汽車在高速公路上飛馳時，保持干凈的電源總線比以往任何時候都要迫切。

　　預(yù)防可能是的處理方式，但這更多的只是一種愿望，不一定能夠?qū)崿F(xiàn)。但不可避免的是，當(dāng)電源在長的電纜上流過時，只要有負(fù)載躍變就會產(chǎn)生瞬態(tài)干擾。在長線纜上發(fā)生的瞬時負(fù)向電流變化將導(dǎo)致正向電壓峰值。可怕的事情是與被腐蝕的電池端子相關(guān)的"拋負(fù)載".

　　眾所周知，拋負(fù)載會產(chǎn)生高達(dá)125V的浪涌電壓，并且這個電壓將保持?jǐn)?shù)百毫秒。汽車工程師協(xié)會（SAE）對于拋負(fù)載的特征描述包括：5ms的5mA上升時間，以及帶有200ms時間常數(shù)的呈指數(shù)衰減下降時間。

　　從歷史上看，工程師曾采用電容、瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管甚至熔絲來解決這個問題。但隨著汽車內(nèi)電子器件密度的提高，留給安裝保護(hù)器件等分立元件的空間越來越小。

　　凌力爾特公司早已推出一款用于解決過壓問題的有源器件。但正如Dobkin和他的設(shè)計人員在汽車制造商處與電源工程師的對話中講到的那樣，事情明擺著需要更好的器件。2007年，該公司發(fā)布了LT4356浪涌抑制器，工作電壓范圍從4V至80V,可以有效阻止輸入引腳上出現(xiàn)的高達(dá)-60V的反向瞬態(tài)電壓。

　　所有LT43xx系列器件都是針對汽車應(yīng)用開發(fā)的線性穩(wěn)壓器，主要用來饋送像DC-DC轉(zhuǎn)換器這樣的外部器件。它們將能浪涌電壓鉗位到由外部分壓電阻設(shè)定的值，同時保持不受浪涌電流的影響。凌力爾特早的LT4356可以抑制超過100V的浪涌電壓。它的關(guān)鍵點在于電流感測電阻的放置：位于外部旁路晶體管的上游。如果器件要求阻止超過100V的瞬態(tài)電壓，那就必須關(guān)閉過流保護(hù)功能。

凌力爾特公司早的LT4356（a）浪涌抑制器及后續(xù)產(chǎn)品LT4363（b），可以將浪涌電壓鉗位到由外部分壓電阻設(shè)定的值，同時自身不受浪涌的影響。

LT4363將電流檢測功能放置在旁路晶體管之后。

　　凌力爾特公司在兩種新產(chǎn)品中實現(xiàn)了解決方案：帶過流保護(hù)功能的LT4363高壓浪涌抑制器以及LTC4366高壓浮動浪涌抑制器。

　　對于熟悉LT4356的設(shè)計人員來說，LT4363只是簡單地將過流感測功能移到了旁路FET的下游，不僅支持過流保護(hù)，同時還能承受大的瞬態(tài)電壓。但與LT4356一樣，它的額定值是100V.因此，它的輸入端必須使用電阻和TVS二極管以阻止超過100V的瞬態(tài)高壓。

　　LT4366更加令人感興趣。它表明了在Dobkin這樣的工程師重新考慮過去的思路時會發(fā)生什么。"如果我們允許器件采用浮動拓?fù)鋾趺礃樱?Dobkin問自己。很顯然，浮動器件可以用于連續(xù)工作在電壓超過100V、要求防止甚至超過200V瞬態(tài)電壓的系統(tǒng)中。

凌力爾特的LT4366高壓浮動型浪涌抑制器可實現(xiàn)與任何高壓浪涌的隔離（a）。LT4366有三種工作模式（b）。

在啟動模式，經(jīng)過RIN的涓流用于提供偏置，并通過給柵極充電啟動電荷泵。隨后電荷泵保持柵極電壓高出源極電壓12V.在調(diào)整模式中，上端反饋電阻上的壓降保持在1.23V基準(zhǔn)值。

　　在一個典型應(yīng)用中，外部降壓電阻允許該器件電壓隨電源上浮，從而隔離任何高壓浪涌。這樣，工作電壓的上限僅取決于必需的大電阻以及可以處理穩(wěn)壓期間功耗的MOSFET.因為LTC4366不接地，因此與非浮動器件相比，它可以借助一些額外的功能處理高得多的瞬態(tài)電壓。

　　LTC4366工作在三種不同模式：啟動、運(yùn)行、調(diào)整。

　　在啟動模式，有15μA的涓流流經(jīng)RIN.其中一半電流給柵極充電，另一半用于偏置電流。隨著GATE引腳的不斷充電，外部MOSFET將提升OUT引腳的電壓，直到器件進(jìn)入運(yùn)行模式。這時，輸出已經(jīng)足夠高到啟動電荷泵。隨后電荷泵就能用來滿充柵極，使之比源極電壓高出12V.

　　當(dāng)LTC4366處于調(diào)整模式時，為保護(hù)負(fù)載免受輸入電源過壓的影響，過壓調(diào)整放大器通過1.23V的電壓基準(zhǔn)將輸出作為參考點。如果上面的反饋電阻上的壓降超過1.23V,調(diào)整放大器就會下拉柵極將壓降調(diào)回到1.23V.

　　為何凌力爾特公司要開發(fā)兩款新器件？看起來似乎LTC4366是LT4356合適的伙伴。但使用LTC4366也有不利的一面，即冷車啟動，對于傳統(tǒng)汽車中的大型內(nèi)燃機(jī)用啟動電機(jī)來說這是個問題。在非常寒冷的狀態(tài)下，啟動引擎時的壓降可能將電池總線電壓下拉到低至4V.在這種情況下，瞬態(tài)時間常數(shù)并不是問題，而是持續(xù)時間會有問題。

　　LT4356和LT4363的規(guī)格包括得到保證的4V至80V工作電壓范圍。當(dāng)冷車啟動在新設(shè)計中成為一個問題的時候，LT4363會更有優(yōu)勢。凌力爾特將在很多年內(nèi)向舊的設(shè)計提供LT4356器件。

　　另一方面，LTC5366的工作范圍從大于500V擴(kuò)展到低至9V.在混合動力和純電動汽車中，高得多的電壓可能要好于稍高一些的電壓。即使在傳統(tǒng)的轎車和卡車中，更高冷車啟動指標(biāo)的影響也取決于供電的對象。LTC5366可能不適合發(fā)動機(jī)控制單元等部件，但對信息娛樂和GPS等應(yīng)用來說，在電源總線上使用LTC5366是沒有問題的。