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如何在ADAS传感器模块中实现精确的温度和湿度传感

您的第一辆汽车也许就像我的一样,缺少摄像头、雷达和激光雷达等传感器模块,而正是这些模块使得现代高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的安全特性(如盲点检测、泊车辅助和防撞)成为可能。由于这些传感器模块收集的数据与乘客安全直接相关,因此确保它们始终正常工作非常重要。遗憾的是,一个常见的损坏原因就是长时间过热运行或暴露在潮湿环境中。

摄像头、雷达和激光雷达中的精确温度传感器有助于延长其寿命并增强安全性和可靠性。首先,我们来看看温度对汽车摄像头模块的影响。


摄像头


图 1 显示每辆汽车可能有多达六个摄像头。这些摄像头需要高动态范围和快速响应时间以及出色的弱光灵敏度。为了满足这些要求,设计人员必须避免图像传感器在高温下长时间运行。


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图 1:现代汽车中的ADAS传感器概览


如图 2 所示,汽车摄像头通常是小型 (1.4in³) 封闭立方体,没有主动冷却功能,因而非常容易积累热量和快速升温。图像传感器的额定工作温度通常为 –40°C 至 125°C(结温)和 –40°C 至 105°C(环境温度)。如果达到这些范围的上限或下限,电子控制单元 (ECU) 将不得不降低进入图像传感器的功率或将传感器完全关闭,直到温度恢复到正常工作条件为止。因此,准确获取摄像头的温度非常重要。


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图 2:小型汽车的摄像头模块


图像传感器通常采用嵌入式温度传感器,其误差范围为 ±6°C。这么大的误差意味着 ECU 可能会通过提前或延后关闭来限制摄像头的使用。这些错误计算可能会对图像传感器造成损坏,暂时限制 ADAS 功能,直到它得到维护为止。


解决方案是添加一个独立的温度传感器,该传感器可提供误差小于 ±1°C 的准确温度测量值。应用手册“通过精确温度传感提高汽车和工业摄像头的系统可靠性”对于为特定摄像头拓扑选择温度传感器有所帮助


雷达


毫米波 (mmWave) 传感器的接收器 (RX) 灵敏度、增益、输入噪声甚至输出发射器 (TX) 功率都可能随温度而变化。在图3中,主机处理器尝试通过在运行期间定期调整电路配置,来减轻温度变化带来的影响,以使 RX 增益和 TX 功率尽量接近所配置的设置水平。


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图 3:RX 增益 (a) 和 TX 功率 (b) 随温度的变化


之所以需要高精度温度测量,是因为要尽可能在更大限度地提高雷达性能和防止因高温而产生热损坏之间取得平衡。为了达到这种平衡,雷达传感器必须在温度限值附近工作,同时能够在尽可能接近限值时可靠地关闭。实现这一点可能很难,因为:


OEM开始要求更高的环境温度。


为了降低成本,制造商开始使用塑料模块外壳而不是金属外壳。金属是更好的导热体,通常用作散热器以散发模块内部产生的热量。


雷达芯片功耗高,会造成自发热。


雷达芯片上的嵌入式温度传感器误差范围最高可达到 ±7°C,这限制了雷达芯片的性能。由于此误差,稳妥起见,您必须在距离工作限值 ±7°C 时关断以防止损坏。


如今,设计人员的目标是让雷达芯片内部裸片温度的温度精度达到 ±1°C。为此,您可以使用两个独立的温度传感器测量温差,或者使用雷达芯片下方的超薄温度传感器,例如 TMP114。要了解更多有关实施温差测量的信息,请阅读应用手册“使用温差测量进行元件温度监测”。


有关元件下温度监测的更多详细信息,请阅读应用手册“使用超小型温度传感器进行元件下监测”。


激光雷达


如图 4 所示,激光雷达传感器可以捕获短距离、中距离和远距离数据,提供深入的点云,作为实现 ADAS 功能安全性的关键元件。激光雷达包含激光阵列、飞行时间 (ToF) 传感器和控制器,所有这些都需要进行温度补偿以保持其性能。温度变化会影响激光雷达距离测量,并且在 70°C 以上时,激光阵列的性能可能会下降。ToF 传感器具有高功耗,这会导致自发热,并且在 105°C 左右控制器往往需要降低其时钟频率或完全关闭以防止热失控。


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图 4:汽车激光雷达范围


激光雷达系统的一个重要设计考虑因素是目标汽车安全完整性等级 (ASIL)。应用手册“使用远程温度传感器满足激光雷达系统的 ASIL 要求”提供了一些快速实现冗余和多样化温度传感器的想法


激光雷达和摄像头模块都有可能会破裂的透镜,因此可能会因潮湿而损坏内部的光学元件。汽车级湿度传感器(如 HDC3020-Q1)可测量相对湿度和温度。它可以检测水分(这可能表示发生泄漏)并计算何时超过露点(这会导致透镜上出现冷凝),从而允许系统通知用户采取纠正措施。


如何选择温度传感器


在评估您的下一个温度传感器时,请考虑其最大精度、是否需要警报或其他功能以及您的通信渠道。例如,如果没有任何可用的 ADC 通道(通常存在于环视和低端驾驶员监控摄像头中),那么您可以将数字温度传感器连接到 FPD-Link 串行器的 I2C 或 SPI 通道。如果您只是想要具有迟滞功能的阈值警报,则可以使用连接到通用输入/输出的温度开关。当您确实有可用的 ADC 通道时,模拟温度传感器的输出电压与温度成正比,而不会像分立热敏电阻解决方案那样受外部元件容差的影响。如果您确实需要热敏电阻,可以考虑硅基线性热敏电阻,它可以解决负温度系数 (NTC) 热敏电阻存在的精度和可靠性问题,同时保持其低成本和小尺寸的优势。


结语


高度敏感的光学需要准确诊断以便长时间保持卓越性能,这一点和射频 ADAS 模块非常类似。这样便需要采用精确的外部温度传感器,这是 ADAS 模块的必要构建块,正在迅速成为未来的安全关键型系统。


关于德州仪器(TI)


德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。





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