【導(dǎo)讀】您的第一輛汽車也許就像我的一樣，缺少攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器模塊，而正是這些模塊使得現(xiàn)代高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的安全特性（如盲點(diǎn)檢測、泊車輔助和防撞）成為可能。由于這些傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)與乘客安全直接相關(guān)，因此確保它們始終正常工作非常重要。遺憾的是，一個常見的損壞原因就是長時間過熱運(yùn)行或暴露在潮濕環(huán)境中。
攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)中的精確溫度傳感器有助于延長其壽命并增強(qiáng)安全性和可靠性。首先，我們來看看溫度對汽車攝像頭模塊的影響。
攝像頭
圖 1 顯示每輛汽車可能有多達(dá)六個攝像頭。這些攝像頭需要高動態(tài)范圍和快速響應(yīng)時間以及出色的弱光靈敏度。為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員必須避免圖像傳感器在高溫下長時間運(yùn)行。
圖 1：現(xiàn)代汽車中的ADAS傳感器概覽
如圖 2 所示，汽車攝像頭通常是小型 (1.4in3) 封閉立方體，沒有主動冷卻功能，因而非常容易積累熱量和快速升溫。圖像傳感器的額定工作溫度通常為 –40°C 至 125°C（結(jié)溫）和 –40°C 至 105°C（環(huán)境溫度）。如果達(dá)到這些范圍的上限或下限，電子控制單元 (ECU) 將不得不降低進(jìn)入圖像傳感器的功率或?qū)鞲衅魍耆P(guān)閉，直到溫度恢復(fù)到正常工作條件為止。因此，準(zhǔn)確獲取攝像頭的溫度非常重要。
圖 2：小型汽車的攝像頭模塊
圖像傳感器通常采用嵌入式溫度傳感器，其誤差范圍為 ±6°C。這么大的誤差意味著 ECU 可能會通過提前或延后關(guān)閉來限制攝像頭的使用。這些錯誤計(jì)算可能會對圖像傳感器造成損壞，暫時限制 ADAS 功能，直到它得到維護(hù)為止。
解決方案是添加一個獨(dú)立的溫度傳感器，該傳感器可提供誤差小于 ±1°C 的準(zhǔn)確溫度測量值。應(yīng)用手冊“通過精確溫度傳感提高汽車和工業(yè)攝像頭的系統(tǒng)可靠性”對于為特定攝像頭拓?fù)溥x擇溫度傳感器有所幫助
雷達(dá)
毫米波 (mmWave) 傳感器的接收器 (RX) 靈敏度、增益、輸入噪聲甚至輸出發(fā)射器 (TX) 功率都可能隨溫度而變化。在圖3中，主機(jī)處理器嘗試通過在運(yùn)行期間定期調(diào)整電路配置，來減輕溫度變化帶來的影響，以使 RX 增益和 TX 功率盡量接近所配置的設(shè)置水平。
圖 3：RX 增益 (a) 和 TX 功率 (b) 隨溫度的變化
之所以需要高精度溫度測量，是因?yàn)橐M可能在更大限度地提高雷達(dá)性能和防止因高溫而產(chǎn)生熱損壞之間取得平衡。為了達(dá)到這種平衡，雷達(dá)傳感器必須在溫度限值附近工作，同時能夠在盡可能接近限值時可靠地關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能很難，因?yàn)椋?/p>
OEM開始要求更高的環(huán)境溫度。
為了降低成本，制造商開始使用塑料模塊外殼而不是金屬外殼。金屬是更好的導(dǎo)熱體，通常用作散熱器以散發(fā)模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。
雷達(dá)芯片功耗高，會造成自發(fā)熱。
雷達(dá)芯片上的嵌入式溫度傳感器誤差范圍最高可達(dá)到 ±7°C，這限制了雷達(dá)芯片的性能。由于此誤差，穩(wěn)妥起見，您必須在距離工作限值 ±7°C 時關(guān)斷以防止損壞。
如今，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是讓雷達(dá)芯片內(nèi)部裸片溫度的溫度精度達(dá)到 ±1°C。為此，您可以使用兩個獨(dú)立的溫度傳感器測量溫差，或者使用雷達(dá)芯片下方的超薄溫度傳感器，例如 TMP114。要了解更多有關(guān)實(shí)施溫差測量的信息，請閱讀應(yīng)用手冊“使用溫差測量進(jìn)行元件溫度監(jiān)測”。
有關(guān)元件下溫度監(jiān)測的更多詳細(xì)信息，請閱讀應(yīng)用手冊“使用超小型溫度傳感器進(jìn)行元件下監(jiān)測”。
激光雷達(dá)
如圖 4 所示，激光雷達(dá)傳感器可以捕獲短距離、中距離和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，提供深入的點(diǎn)云，作為實(shí)現(xiàn) ADAS 功能安全性的關(guān)鍵元件。激光雷達(dá)包含激光陣列、飛行時間 (ToF) 傳感器和控制器，所有這些都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償以保持其性能。溫度變化會影響激光雷達(dá)距離測量，并且在 70°C 以上時，激光陣列的性能可能會下降。ToF 傳感器具有高功耗，這會導(dǎo)致自發(fā)熱，并且在 105°C 左右控制器往往需要降低其時鐘頻率或完全關(guān)閉以防止熱失控。
圖 4：汽車激光雷達(dá)范圍
激光雷達(dá)系統(tǒng)的一個重要設(shè)計(jì)考慮因素是目標(biāo)汽車安全完整性等級 (ASIL)。應(yīng)用手冊“使用遠(yuǎn)程溫度傳感器滿足激光雷達(dá)系統(tǒng)的 ASIL 要求”提供了一些快速實(shí)現(xiàn)冗余和多樣化溫度傳感器的想法
激光雷達(dá)和攝像頭模塊都有可能會破裂的透鏡，因此可能會因潮濕而損壞內(nèi)部的光學(xué)元件。汽車級濕度傳感器（如 HDC3020-Q1）可測量相對濕度和溫度。它可以檢測水分（這可能表示發(fā)生泄漏）并計(jì)算何時超過露點(diǎn)（這會導(dǎo)致透鏡上出現(xiàn)冷凝），從而允許系統(tǒng)通知用戶采取糾正措施。
如何選擇溫度傳感器
在評估您的下一個溫度傳感器時，請考慮其最大精度、是否需要警報(bào)或其他功能以及您的通信渠道。例如，如果沒有任何可用的 ADC 通道（通常存在于環(huán)視和低端駕駛員監(jiān)控?cái)z像頭中），那么您可以將數(shù)字溫度傳感器連接到 FPD-Link 串行器的 I2C 或 SPI 通道。如果您只是想要具有遲滯功能的閾值警報(bào)，則可以使用連接到通用輸入/輸出的溫度開關(guān)。當(dāng)您確實(shí)有可用的 ADC 通道時，模擬溫度傳感器的輸出電壓與溫度成正比，而不會像分立熱敏電阻解決方案那樣受外部元件容差的影響。如果您確實(shí)需要熱敏電阻，可以考慮硅基線性熱敏電阻，它可以解決負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻存在的精度和可靠性問題，同時保持其低成本和小尺寸的優(yōu)勢。
結(jié)語
高度敏感的光學(xué)需要準(zhǔn)確診斷以便長時間保持卓越性能，這一點(diǎn)和射頻 ADAS 模塊非常類似。這樣便需要采用精確的外部溫度傳感器，這是 ADAS 模塊的必要構(gòu)建塊，正在迅速成為未來的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)。
關(guān)于德州儀器(TI)
德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。 欲了解更多信息，請?jiān)L問公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。
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