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(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的安全特性(如盲點(diǎn)檢測(cè)、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(gè)常見的損壞原因就是長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)其壽命并增強(qiáng)安全性和可靠性。首先，我們來看看溫度對(duì)汽車攝像頭模塊的影響。

攝像頭

顯示每輛汽車可能有多達(dá)六個(gè)攝像頭。這些攝像頭需要高動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

汽車攝像頭通常是小型 (1.4in3) 封閉立方體，沒有主動(dòng)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(huì)通過提前或延后關(guān)閉來限制攝像頭的使用。這些錯(cuò)誤計(jì)算可能會(huì)對(duì)圖像傳感器造成損壞，暫時(shí)限制 ADAS 功能，直到它得到維護(hù)為止。

解決方案是添加一個(gè)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(cè)量值。應(yīng)用手冊(cè)“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(duì)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(cè)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(shí)能夠在盡可能接近限值時(shí)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(huì)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(shí)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(gè)獨(dú)立的溫度傳感器測(cè)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(cè)量的信息，請(qǐng)閱讀應(yīng)用手冊(cè)“使用溫差測(cè)量進(jìn)行元件溫度監(jiān)測(cè)”。

有關(guān)元件下溫度監(jiān)測(cè)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)閱讀應(yīng)用手冊(cè)“使用超小型溫度傳感器進(jìn)行元件下監(jiān)測(cè)”。

激光雷達(dá)

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(shí)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(huì)影響激光雷達(dá)距離測(cè)量，并且在 70°C 以上時(shí)，激光陣列的性能可能會(huì)下降。ToF 傳感器具有高功耗，這會(huì)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(shí)鐘頻率或完全關(guān)閉以防止熱失控。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素是目標(biāo)汽車安全完整性等級(jí) (ASIL)。應(yīng)用手冊(cè)“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(huì)破裂的透鏡，因此可能會(huì)因潮濕而損壞內(nèi)部的光學(xué)元件。汽車級(jí)濕度傳感器(如 HDC3020-Q1)可測(cè)量相對(duì)濕度和溫度。它可以檢測(cè)水分(這可能表示發(fā)生泄漏)并計(jì)算何時(shí)超過露點(diǎn)(這會(huì)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(píng)估您的下一個(gè)溫度傳感器時(shí)，請(qǐng)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(shí)，模擬溫度傳感器的輸出電壓與溫度成正比，而不會(huì)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(shí)保持其低成本和小尺寸的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語

高度敏感的光學(xué)需要準(zhǔn)確診斷以便長(zhǎng)時(shí)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)。

商標(biāo)

所有注冊(cè)商標(biāo)和其它商標(biāo)均歸其各自所有者專屬。

近期會(huì)議

2022年5月24日，由ACT雅時(shí)國際商訊主辦，《半導(dǎo)體芯科技》&CHIP China晶芯研討會(huì)將在蘇州·金雞湖國際會(huì)議中心隆重舉行!屆時(shí)業(yè)內(nèi)專家將齊聚姑蘇，與您共探半導(dǎo)體制造業(yè)，如何促進(jìn)先進(jìn)制造與封裝技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。大會(huì)現(xiàn)已啟動(dòng)預(yù)約登記。

關(guān)于我們

《半導(dǎo)體芯科技》(Silicon Semiconductor China, SiSC)是面向中國半導(dǎo)體行業(yè)的專業(yè)媒體，已獲得全球知名雜志《Silicon Semiconductor》的獨(dú)家授權(quán);本刊針對(duì)中國半導(dǎo)體市場(chǎng)特點(diǎn)遴選相關(guān)優(yōu)秀文章翻譯，并匯集編輯征稿、國內(nèi)外半導(dǎo)體行業(yè)新聞、深度分析和權(quán)威評(píng)論、產(chǎn)品聚焦等多方面內(nèi)容。由雅時(shí)國際商訊(ACT International)以簡(jiǎn)體中文出版、雙月刊發(fā)行一年6期。每期紙質(zhì)書12,235冊(cè)，電子書發(fā)行15,749，內(nèi)容覆蓋半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)、封裝、設(shè)備、材料、測(cè)試、MEMS、IC設(shè)計(jì)、制造等。每年主辦線上/線下 CHIP China晶芯研討會(huì)，搭建業(yè)界技術(shù)的有效交流平臺(tái)。獨(dú)立運(yùn)營(yíng)相關(guān)網(wǎng)站，更多詳情可點(diǎn)擊官網(wǎng)鏈接。

審核編輯：湯梓紅