智驾系统的电源管理和功耗分配详解

　　整个电源树设计过程中，需要进行包含电压反向设计Reverse Voltage、唤醒响应设计WakeUp、稳压设计/变压设计（DCDC、LDO、PMIC）、电源交换机设计Power Switch等。如下罗列了几种典型的芯片选型及相应的特征参数说明。
　　1）LDO（MPQ20051）：低压差线性稳压器，可提供高达1A的电流和140mV的电压。当输入电压为2.5V到5.5V时，其相应的调整输出电压范围从0.8V到5V。内部 PMOS 传输元件允许130uA 的低接地电流，使MPQ20051适用于电池供电设备。其他功能包括低功耗关断、短路和热保护。
　　2）DCDC（MAX20074ATBA/V+）：表示降压开关稳压器 IC。最低的汽车同步降压控制器，在轻负载时仅使用3.5µA 的静态电流。
　　3）DCDC（MPQ2166）：是一款内部补偿、双路、PWM、同步、降压稳压器，可在 2.7V 至 6V 输入电压下工作，并产生低至 0.6V 的输出电压。MPQ2166 可配置为 2A/2A 或 3A/1A 输出电流调节器，由于静态电流低至 60µA。MPQ2166 具有峰值电流模式控制和内部补偿，并且能够进行低压差配置。两个通道都可以100%占空比运行，完整的保护功能包括逐周期电流限制和热关断。
　　4）PowerSwitch（MAX20086–MAX20089）：双路/四路摄像头电源保护器 IC 为其四个输出通道中的每一个通道提供高达 600mA 的负载电流。
　　至于PMIC的芯片这里主要应用了如下几种，实现不同的电源管理控制。
　　5）PMIC（PF71）：这是专为高性能 i.MX 8 处理器设计的电源管理集成电路。它具有五个高效降压转换器和两个线性稳压器，用于为处理器、内存和其他外围设备供电。内置一次性可编程存储器存储关键的启动配置，大大减少了通常用于设置输出电压和外部稳压器顺序的外部组件。稳压器参数可在启动后通过高速 I2C 进行调整，为不同的系统状态提供灵活性。
　　6）PMIC（TPS6594-Q1）：TPS6594-Q1 作为一种电源管理芯片 IC ，具有 5 个 BUCK 和 4 个 LDO，在行业内特别适用于智驾安全相关汽车应用。器件可提供四个具有3.5A 输出的灵活多相可配置 BUCK 稳压器单相电流，以及一个额外的 BUCK 稳压器具有2 A输出电流。每个输出都单独受到电池短路、接地短路和过流情况的保护。这些 IC 采用 3V 至 5.5V 电源和 3V 至 15V 相机电源供电，输入至输出压降在300mA 时仅为 110mV（典型值）。
　　7）Primary DCDC（MAX20098）：汽车类2.2MHz同步降压控制器 IC，具有3.5µA IQ。该 IC 采用 3.5V 至 42V 的输入电压供电，并且可以在压降条件下以 99% 的占空比运行。这种方式适用于具有中高功率要求且在宽输入电压范围的情况下运行的应用，例如在汽车冷启动或发动机停止启动条件下提供必要的电压。该IC还提供时间同步信号 SYNC的输出，使两个控制器能够并行运行。FSYNC 输入可编程性支持三种频率模式来优化性能：强制固定频率操作、具有超低静态电流的跳跃模式以及与外部时钟的同步。该 IC 用于频率调制的可编程扩频选项时，可以最大限度地减少 EMI 干扰。
　　3 基于实例的电源网络管理
　　本文通过详细介绍双PMIC（TPS6594-Q1）电源如何连接到典型的处理器和其他外围组件用例，从而可以有效的支持电源分布式网络（Power Distribution Network，PDN）。电源网络管理模块PDN可根据其处理器的电力需求来实现主微处理核MCU和其余高运算能力芯片电压资源的板级隔离。同时，利用这种板级电源隔离实现理想的产品功能体系结构。
　　对于整个配电网络PDN的设计主要包括以下内容：
　　①　PDN电源连接
　　②　PDN数字控制连接
　　③　主副PMIC默认内部模块管理NVM内容
　　④　PMIC排序设置以支持高级处理器的不同PDN电源状态转换
　　系统PMIC数据处理需要描述推荐的操作、电气特性、外部组件、封装详细信息、寄存器映射和整体组件功能。PMIC（TPS6594-Q1）器件具有不同的可订购部件号 （PN），具有独特的NVM设置以支持不同的最终产品用例和处理器类型。每个PMIC所具备的独特NVM设置器件会针对每个PDN设计进行优化，从而支持不同的处理器、处理负载、SDRAM 类型、系统功能安全级别和最终产品特性（例如低功耗模式、处理器电压和内存子系统）。NVM设置可以通过模块ID号NVM_ID 和 模块寄存器NVM_REV来识别。每个PMIC 设备可通过部件号、NVM_ID 和 NVM_REV 值来区分。
　　下图显示了双 TPS6594-Q1的PMIC电源管理和处理器之间的电源映射，该种连接方式支持独立 MCU 和主电源轨所需的电压域。

　　如上图所示，PDN 在输入电源和PMIC之间需要有一个串联的外部功率 FET。PMIC通过OVPGDRV 引脚实现FET前后的电压监控，当检测到大于 6 V 的过压事件时，FET 可以在输入电源上快速隔离 PMIC，以保护系统免受损坏。这包括来自的所有电源轨场效应管输出信号，FET 上游连接的任何电源都不受过压事件的保护。MCU和主要 I/O 域供电的负载开关，分立式降压电源DDR 和为 EFUSE 供电的分立式稳压器LDO 都连接到了 FET 之后，这样可以延长对这些处理器域和分立电源的过电压保护能力。
　　此外，从如上图所示的整个电源管理模块内部结构中，还包含如下一些相应的参数设置。

　　在如上配置中，两个 PMIC使用 3.3 V 输入电压。对于功能安全应用，在VCCA之前有一个保护FET连接到主PMIC的OVPGDRV引脚，允许监控PMIC的输入电源电压。VCCA电压必须是施加到 PMIC 设备的第一个电压，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通过负载开关为对应PDN中的VIO_IN 供电。该负载开关还提供了VDDSHVx_MCU 处理器的电压源，通过引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信号可以确保在MCU Only低功耗模式期间可以保持活动状态，并在DDR做数据保存（也称为挂起到 RAM）期间被禁用以降低PMIC功耗。
　　对于双电压I/O情况需要支持包含3.3V 和 1.8V两种情况。使用一种具有逻辑高电平默认值的处理端 LDO可以通过GPIO控制信号将初始的电压I/O值设置为3.3 V。处理器上电期间，引导加载程序SW 可以将 GPIO 信号设置为低电平，从而确保使用端根据需要选择适当的电平（1.8 V）。同时，在未启动 MCU 的情况下，PMIC可以控制 LDO1 电压处理器在操作系统启动期间与PMIC建立 I2C 通信。
　　这里我们可以举例说明对一些超异构芯片是如何实现MCU Only的控制逻辑。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在电源分布式网络 PDN 中使用是四个分立电源组件，其中三个是必需的，一个是可选的，具体取决于根据最终产品的特点。两个TPS22965-Q1负载开关将 VCCA_3V3 电源轨连接到电源保护处理器 I/O 域。通常需要两个负载开关才能实现隔离计算域NPU和实时域MCU，对每个模块进行单独控制，当然也可以在MCU Only低功耗操作的主处理器之间建立电源隔离。TPS62813-Q1 降压转换器也可以为存储单元 LPDDR4 SDRAM 组件提供所需的电源电压（1.1V）。
　　从TPS6594-Q1 器件到处理器的其他连接GPIO线路也可以通过信号来提供错误监控、处理器复位、处理器唤醒和系统低功耗模式。特定的 GPIO 引脚需要分配给特定的按键信号，这样可以确保在只有少数 GPIO 引脚的情况下保持正常运行在低功耗模式下。



原作者： Dr. HU