在ADAS傳感器模塊中實現精確的溫度和濕度傳感

您的第一輛汽車也許就像我的一樣，缺少攝像頭、雷達和激光雷達等傳感器模塊，而正是這些模塊使得現代高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的安全特性（如盲點檢測、泊車輔助和防撞）成為可能。由于這些傳感器模塊收集的數據與乘客安全直接相關，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行或暴露在潮濕環(huán)境中。

攝像頭、雷達和激光雷達中的精確溫度傳感器有助于延長其壽命并增強安全性和可靠性。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六個攝像頭。這些攝像頭需要高動態(tài)范圍和快速響應時間以及出色的弱光靈敏度。為了滿足這些要求，設計人員必須避免圖像傳感器在高溫下長時間運行。

圖1 現代汽車中的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（結溫）和 –40°C 至 105°C（環(huán)境溫度）。如果達到這些范圍的上限或下限，電子控制單元 (ECU) 將不得不降低進入圖像傳感器的功率或將傳感器完全關閉，直到溫度恢復到正常工作條件為止。因此，準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閉來限制攝像頭的使用。這些錯誤計算可能會對圖像傳感器造成損壞，暫時限制 ADAS 功能，直到它得到維護為止。

解決方案是添加一個獨立的溫度傳感器，該傳感器可提供誤差小于 ±1°C 的準確溫度測量值。應用手冊“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撲選擇溫度傳感器有所幫助

雷達

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，主機處理器嘗試通過在運行期間定期調整電路配置，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，是因為要盡可能在更大限度地提高雷達性能和防止因高溫而產生熱損壞之間取得平衡。為了達到這種平衡，雷達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閉。實現這一點可能很難，因為：

1.OEM開始要求更高的環(huán)境溫度。

2.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。金屬是更好的導熱體，通常用作散熱器以散發(fā)模塊內部產生的熱量。

3.雷達芯片功耗高，會造成自發(fā)熱。

4.雷達芯片上的嵌入式溫度傳感器誤差范圍最高可達到 ±7°C，這限制了雷達芯片的性能。由于此誤差，穩(wěn)妥起見，您必須在距離工作限值 ±7°C 時關斷以防止損壞。

如今，設計人員的目標是讓雷達芯片內部裸片溫度的溫度精度達到 ±1°C。為此，您可以使用兩個獨立的溫度傳感器測量溫差，或者使用雷達芯片下方的超薄溫度傳感器，例如 TMP114。要了解更多有關實施溫差測量的信息，請閱讀應用手冊“使用溫差測量進行元件溫度監(jiān)測”。

有關元件下溫度監(jiān)測的更多詳細信息，請閱讀應用手冊“使用超小型溫度傳感器進行元件下監(jiān)測”。

激光雷達

如圖 4 所示，激光雷達傳感器可以捕獲短距離、中距離和遠距離數據，提供深入的點云，作為實現 ADAS 功能安全性的關鍵元件。激光雷達包含激光陣列、飛行時間 (ToF) 傳感器和控制器，所有這些都需要進行溫度補償以保持其性能。溫度變化會影響激光雷達距離測量，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閉以防止熱失控。

圖4 汽車激光雷達范圍

激光雷達系統(tǒng)的一個重要設計考慮因素是目標汽車安全完整性等級 (ASIL)。應用手冊“使用遠程溫度傳感器滿足激光雷達系統(tǒng)的 ASIL 要求”提供了一些快速實現冗余和多樣化溫度傳感器的想法

激光雷達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部的光學元件。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）并計算何時超過露點（這會導致透鏡上出現冷凝），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)控攝像頭中），那么您可以將數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，則可以使用連接到通用輸入/輸出的溫度開關。當您確實有可用的 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。如果您確實需要熱敏電阻，可以考慮硅基線性熱敏電阻，它可以解決負溫度系數 (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。

結語

高度敏感的光學需要準確診斷以便長時間保持卓越性能，這一點和射頻 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 模塊的必要構建塊，正在迅速成為未來的安全關鍵型系統(tǒng)。