選擇適用于汽車(chē)應(yīng)用的基準(zhǔn)電壓

引言 

ADAS、車(chē)身電子裝置、動(dòng)力總成等汽車(chē)系統(tǒng)需要用到 精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，在測(cè)量汽車(chē)信 號(hào)時(shí)，通常都需要一個(gè)精確的基準(zhǔn)電壓 (VREF) 以便誤 差盡可能低。許多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以合并內(nèi)部基準(zhǔn)，但在 CMOS 技術(shù)中很難找到一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓能夠達(dá)到雙 極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數(shù)字 處理中更為復(fù)雜，由于存在各種固有的時(shí)鐘噪聲，內(nèi)部 基準(zhǔn)往往會(huì)有噪聲。因此，通常需要使用外部基準(zhǔn)電壓 來(lái)進(jìn)行更精確的測(cè)量。

圖 1. 簡(jiǎn)化的 ADAS 前置攝像頭示意圖

用于監(jiān)控 1% 1V 電壓軌的基準(zhǔn)電壓 

在汽車(chē)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 中，監(jiān)控 MCU/DSP/FPGA 中使用的電壓軌非常重要。通過(guò) ADC 和電壓監(jiān)控器組合來(lái)獨(dú)立監(jiān)控電壓軌，確保電壓 軌不會(huì)超過(guò)可能導(dǎo)致欠壓或過(guò)壓事件（可能損壞 MCU/DSP/FPGA）的某個(gè)電壓。通常，這些 ADC 在 微控制器 (MCU) 內(nèi)部，用于確保電壓軌正常工作。在 MCU 上連接一個(gè)外部 VREF 以保證精度，并確保內(nèi)部 ADC 有一個(gè)冗余的基準(zhǔn)電壓以保證穩(wěn)健性，這種情況 并不罕見(jiàn)。通過(guò)添加一個(gè)外部 VREF，有可能得到一個(gè) 精確的 ADC，不需要校準(zhǔn)就可以監(jiān)控 1% 1V 電壓軌。

圖 2. 帶 MCU 的 REF3430-Q1 

為了確保系統(tǒng)符合誤差規(guī)格，務(wù)必要對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行表征 以了解電壓軌誤差，這一點(diǎn)非常重要。電壓軌誤差日趨 嚴(yán)格，因?yàn)樵试S的總誤差一直在減小，從而可以打造出 一個(gè)更優(yōu)化的系統(tǒng)。表征 MCU 中的信號(hào)鏈誤差時(shí)會(huì)存 在一個(gè)問(wèn)題，即內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通常不會(huì)像外部電壓基準(zhǔn) 那樣全面而深入地表征，而且往往缺乏最差值上限。因 此，很難計(jì)算出系統(tǒng)最壞情況下的誤差。使用外部基準(zhǔn) 電壓可解決這一難題，如圖 2 中的 REF3430-Q1 所 示。

表 1. 典型的內(nèi)核電壓軌監(jiān)控

表 1 所示為關(guān)于電壓軌監(jiān)控要求的一個(gè)示例，該要求 為通過(guò)微型計(jì)算機(jī)監(jiān)控 ADAS 系統(tǒng)中精密 MCU 的 1V 電壓軌。由于某些電壓電源軌嚴(yán)格要求限制在一定的電 壓范圍內(nèi)，我們希望確保信號(hào)鏈系統(tǒng)的總誤差小于 1%，這樣就可以測(cè)量偏差，在本例中偏差為 10mV。 

對(duì)于 1V 直流測(cè)量，可以通過(guò)一個(gè)外部基準(zhǔn)電壓來(lái)計(jì)算 總誤差。可通過(guò)兩種方法來(lái)計(jì)算系統(tǒng)誤差：一種是最壞 情況法，另一種則是和的平方根 (RSS)法。誤差計(jì)算之 間的主要區(qū)別在于如何組合一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)誤差。在基 于最壞情況的誤差計(jì)算中，所有誤差都是它們最壞情況 的疊加，結(jié)果趨于保守，雖能確保每個(gè)器件都正常工 作，但主要缺點(diǎn)是要考慮到 6 個(gè)以上 Σ 的事件，這會(huì) 使系統(tǒng)成本增加。最壞情況法的一種常見(jiàn)替代方法是基 于統(tǒng)計(jì)公差分析的 RSS 法。之所以使用 RSS，是因?yàn)? 它提供了一個(gè)更實(shí)際的、基于分布的可接受限值。而在 本例中，我們使用 RSS 是因?yàn)樗軌蚋鎸?shí)地表示誤 差。

表 2. REF3430-Q1 3V 規(guī)格

VREF 基準(zhǔn)計(jì)算的總誤差是初始精度、溫度系數(shù)等所有 誤差的總和。為了計(jì)算總誤差，所有誤差都應(yīng)采用通用 單位，如方程式 1 中的 ppm（百萬(wàn)分率）。通過(guò)校準(zhǔn) 可以進(jìn)一步減小 VREF 總誤差，因?yàn)樾?zhǔn)可以消除初 始精度和溫度系數(shù)等靜態(tài)誤差。本例中省略了焊接漂 移、負(fù)載調(diào)節(jié)、線路調(diào)節(jié)等誤差，但可以將這些誤差一 并加入，從而計(jì)算出 VREF 總誤差的更準(zhǔn)確值。方程 式 1 所示為如何使用 RSS 法合并所有這些誤差。

表 3. 內(nèi)部 MCU ADC 示例

選擇 ADC 時(shí)，找到一個(gè)誤差盡可能小的 ADC 非常重 要。本例使用了符合表 3 中所示規(guī)格的內(nèi)部 MCU ADC。這種情況下的 ADC 總誤差也稱為總體未調(diào)誤 差，它的計(jì)算方法類似于使用 RSS 法計(jì)算 VREF 總誤 差。

進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)，ADC 的誤差是獨(dú)立的，但基準(zhǔn)電壓 的誤差與 ADC 模擬輸入信號(hào)成正比。方程式 2 中計(jì)算 的 VREF 總誤差只有在模擬輸入信號(hào)為滿刻度時(shí)才有 效。在本例中，由于模擬輸入為 1V，而不是滿刻度電 壓，只有 VREF 總誤差的一小部分影響到模擬輸入， 這可在方程式 3 中看到。

在 ADC 規(guī)格下，使用方程式 4 將 VREF 總誤差轉(zhuǎn)換為 LSB，如此一來(lái)，使用方程式 5 中的 RSS 法可以合并 VREF 和 ADC。

表 4. 總誤差

表 4 總結(jié)了系統(tǒng)的最終誤差，因?yàn)橥獠炕鶞?zhǔn)電壓可以 幫助表征誤差以確保滿足最小精度。在實(shí)踐中，測(cè)量值 將比 RSS 總誤差更精確，但該誤差可以為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)提 供一個(gè)基準(zhǔn)。主要誤差來(lái)自 ADC，因此選擇更精確的 ADC 即可輕松減小系統(tǒng)的 ADC 誤差。還有一些技術(shù) 可用于改善基準(zhǔn)電壓誤差，例如使用更高的外部基準(zhǔn)電 壓。在表 5 中，有一些備選基準(zhǔn)電壓器件可幫助減小 這種誤差或節(jié)省電力。

表 5. 備選器件建議