智驾系统的电源管理和功耗分配

高阶自动驾驶系统在进行架构设计时，其域控内部的架构通常涉及主控芯片MCU、计算芯片SOC、电源管理模块芯片PMIC、加解串器、CAN收发器、网络交换机等等。 提到的这些设计要素从底层上并不只是简单的进行了一定程度的硬件连接布线，而是从软件的角度包含涉及的相关联系统的网络配置、电源管理、存储配置等都需要同步进行相应的软硬件模块开发。 其中， 电源配置和网络启动配置 作为两种比较重要的高阶域控配置单元，一直是系统架构师、硬件架构师以及软件架构师需要攻克的部分设计内容。

本文将以一种行业内爆火的电源管理芯片PMIC所组建的典型的系统架构为例来对电源管理方案进行详细电源管理说明和网络管理说明。 其中包含两个电源管理模块PMIC（典型的TPS6594-Q1器件）之间的配电网络(PDN)以及具有独立MCU和主电源轨的 DRA829V（TI 的DRA829V 是一款双Arm® Cortex®-A72，四核Cortex®-R5F，8 端口以太网和4 端口PCIe 交换机。） 或 TDA4VM （智驾域控SOC处理器）。

TDA4系列芯片可作为一种经典的低级别版本的超异构芯片，其对应的内部处理器可作为主处理的独立安全监视器（MCU 安全岛）资源，需要确保系统安全运行。MCU处理器需要保持最少的系统操控能力（又称MCU Only 模式）以显着降低处理器功耗，从而延长待机用例期间的电池寿命并降低组件温度。

不同的智驾系统架构电源管理Profile

当然，行业内对于智驾系统芯片的使用程度和场景根据其应用需求各不相同。作为初级版本的超异构芯片，一般情况下，L2级别需要5 TOPS的算力，L3需要100+ TOPS的算力，L4为300+ TOPS。因此，低阶驾驶辅助系统（L0~L2）通常采用单芯片如TDA4VM（8Tops+25KDMIPs）可以满足对算力的整体需求。而对于次高阶（L2+~L4）这样的芯片的处理能力变显得有些力不从心。考虑当前整个业内研发的重心多倾向于L2+这样的系统。因此，本文所介绍的电源分配管理方案主要考虑多片SOC的情况，比如典型的TDA4 VH、8650等为例进行架构说明。

如下图表示了纯异构芯片架构与超异构芯片在电源控制逻辑中的差异。

从域控架构设计上，超异构芯片往往是所有计算资源都集中到一片芯片上进行，且该芯片也是基本上会对智驾域控中的所有相关联的所有芯片（如加解串器、交换机、Can收发器、摄像头控制端）进行驱动以及供电控制。因此，对于这类控制连接我们通常称之为串联式控制，即电源的控制链路通常由统一的PMIC对中央芯片进行统一管理。当然，如果考虑架构低功耗的特点，也可能将该控制中央芯片的PMIC拆分成主从两路分别进行控制。主路实现全功耗下的电源控制管理。从路则是实现当用户有降功耗的需求情况下的单独电源管理（比如只通过PMIC链路设置激活其中的内部MCU Only模块）。

而对于纯异构芯片智驾域控架构来说，在进行电源树设计时，则通常参照单片单控的方式，比如如果考虑MCU、SOC、GPU三类芯片如果集成到同一个系统架构时，则通常是采用分离式电源控制方式，即各芯片电源单独进行开闭控制。而像加解串器、CAN收发器这类芯片的电源启闭控制则是根据用户定制需求搭载单独的电源控制模块。比如考虑单独对唤醒CAN进行电源控制，或者单独对bypass的影像输出控制进行电源控制。又如Switch这类芯片则可以单独通过MCU来进行开闭控制。

智能驾驶系统基础电源树设计

如下图表示了本文即将详细介绍的智能驾驶系统电源树结构。该电源树的前端供电整体有整车电源电池进行。考虑到智驾系统对电源的巨大消耗，通常情况下，该供电电源是采用的高压大电池供电模式。当然，在某些特殊情况下，也可以切换为小电池供电（比如对下电一定时间内启动的哨兵模式，或者新能源车在行驶后期激活的长续航模式）。另外，对于电源唤醒来说，也有不同的唤醒方式（ACC档直接通过IG ON上电打火，CAN网络唤醒报文注入，亦或者其他考虑需要对单独启动芯片唤醒工作的机制）。

整个上电管理流程涉及的初始DCDC降压转化，一般是对12V电池供电根据需求转化为较低电压，如5V、3.3V等电压值供不同的芯片进行使用。比如TDA4要求3.3V供电，其他芯片需要5V电压供电，那么只需要在接上PMIC电源管理模块初始变压后，便可以直接通过电压分配控制对智驾系统主体运算芯片进行供电。当然也有一些芯片（如加解串器1.0V-1.8V、CAN收发器5V、以太网Switch1.0V-3.3V等）是需要在初始降压配置后根据自身需求进行二次变压处理Post DCDC。此外，由于智驾系统启动和数据处理之间会有相互的依赖关系。通常情况是根据其处理数据源的不同，会考虑将中央运算芯片SOC/MCU作为对其余芯片的控制使能端。比如，SOC如果用于对视觉感知输入源的数据处理，那么就需要在SOC与加解串器以及与直连的摄像头直接供电的Power Switch之间设置控制连接线（如IIC线）作为使能线调节。此外，如果MCU作为毫米波雷达的数据处理终端（做轨迹规划），其控制着对毫米波雷达数据的输入和处理的中心任务，相应的Can收发器的使能和电源控制可由智驾域控的MCU进行直接控制也可以直接接入车辆常电。

整个电源树设计过程中，需要进行包含电压反向设计Reverse Voltage、唤醒响应设计WakeUp、稳压设计/变压设计（DCDC、LDO、PMIC）、电源交换机设计Power Switch等。如下罗列了几种典型的芯片选型及相应的特征参数说明。

1）LDO（MPQ20051）： 低压差线性稳压器，可提供高达1A的电流和140mV的电压。当输入电压为2.5V到5.5V时，其相应的调整输出电压范围从0.8V到5V。内部 PMOS 传输元件允许130uA 的低接地电流，使MPQ20051适用于电池供电设备。其他功能包括低功耗关断、短路和热保护。

2）DCDC（MAX20074ATBA/V+）： 表示降压开关稳压器 IC。最低的汽车同步降压控制器，在轻负载时仅使用3.5µA 的静态电流。

3）DCDC（MPQ2166）： 是一款内部补偿、双路、PWM、同步、降压稳压器，可在 2.7V 至 6V 输入电压下工作，并产生低至 0.6V 的输出电压。MPQ2166 可配置为 2A/2A 或 3A/1A 输出电流调节器，由于静态电流低至 60µA。MPQ2166 具有峰值电流模式控制和内部补偿，并且能够进行低压差配置。两个通道都可以100%占空比运行，完整的保护功能包括逐周期电流限制和热关断。

4）PowerSwitch（MAX20086–MAX20089）： 双路/四路摄像头电源保护器 IC 为其四个输出通道中的每一个通道提供高达 600mA 的负载电流。

至于PMIC的芯片这里主要应用了如下几种，实现不同的电源管理控制。

5）PMIC（PF71）： 这是专为高性能 i.MX 8 处理器设计的电源管理集成电路。它具有五个高效降压转换器和两个线性稳压器，用于为处理器、内存和其他外围设备供电。内置一次性可编程存储器存储关键的启动配置，大大减少了通常用于设置输出电压和外部稳压器顺序的外部组件。稳压器参数可在启动后通过高速 I2C 进行调整，为不同的系统状态提供灵活性。

6）PMIC（TPS6594-Q1）： TPS6594-Q1 作为一种电源管理芯片 IC ，具有 5 个 BUCK 和 4 个 LDO，在行业内特别适用于智驾安全相关汽车应用。器件可提供四个具有3.5A 输出的灵活多相可配置 BUCK 稳压器单相电流，以及一个额外的 BUCK 稳压器具有2 A输出电流。每个输出都单独受到电池短路、接地短路和过流情况的保护。这些 IC 采用 3V 至 5.5V 电源和 3V 至 15V 相机电源供电，输入至输出压降在300mA 时仅为 110mV（典型值）。

7）Primary DCDC（MAX20098）： 汽车类2.2MHz同步降压控制器 IC，具有3.5µA IQ。该 IC 采用 3.5V 至 42V 的输入电压供电，并且可以在压降条件下以 99% 的占空比运行。这种方式适用于具有中高功率要求且在宽输入电压范围的情况下运行的应用，例如在汽车冷启动或发动机停止启动条件下提供必要的电压。该IC还提供时间同步信号 SYNC的输出，使两个控制器能够并行运行。FSYNC 输入可编程性支持三种频率模式来优化性能：强制固定频率操作、具有超低静态电流的跳跃模式以及与外部时钟的同步。该 IC 用于频率调制的可编程扩频选项时，可以最大限度地减少 EMI 干扰。

基于实例的电源网络管理

本文通过详细介绍双PMIC（TPS6594-Q1）电源如何连接到典型的处理器和其他外围组件用例，从而可以有效的支持电源分布式网络（Power Distribution Network，PDN）。电源网络管理模块PDN可根据其处理器的电力需求来实现主微处理核MCU和其余高运算能力芯片电压资源的板级隔离。同时，利用这种板级电源隔离实现理想的产品功能体系结构。

对于整个配电网络PDN的设计主要包括以下内容：

①　PDN电源连接

②　PDN数字控制连接

③　主副PMIC默认内部模块管理NVM内容

④　PMIC排序设置以支持高级处理器的不同PDN电源状态转换

系统PMIC数据处理需要描述推荐的操作、电气特性、外部组件、封装详细信息、寄存器映射和整体组件功能。PMIC（TPS6594-Q1）器件具有不同的可订购部件号 (PN)，具有独特的NVM设置以支持不同的最终产品用例和处理器类型。每个PMIC所具备的独特NVM设置器件会针对每个PDN设计进行优化，从而支持不同的处理器、处理负载、SDRAM 类型、系统功能安全级别和最终产品特性（例如低功耗模式、处理器电压和内存子系统）。NVM设置可以通过模块ID号NVM_ID 和 模块寄存器NVM_REV来识别。每个PMIC 设备可通过部件号、NVM_ID 和 NVM_REV 值来区分。

下图显示了双 TPS6594-Q1的PMIC电源管理和处理器之间的电源映射，该种连接方式支持独立 MCU 和主电源轨所需的电压域。

如上图所示，PDN 在输入电源和PMIC之间需要有一个串联的外部功率 FET。PMIC通过OVPGDRV 引脚实现FET前后的电压监控，当检测到大于 6 V 的过压事件时，FET 可以在输入电源上快速隔离 PMIC，以保护系统免受损坏。这包括来自的所有电源轨场效应管输出信号，FET 上游连接的任何电源都不受过压事件的保护。MCU和主要 I/O 域供电的负载开关，分立式降压电源DDR 和为 EFUSE 供电的分立式稳压器LDO 都连接到了 FET 之后，这样可以延长对这些处理器域和分立电源的过电压保护能力。

此外，从如上图所示的整个电源管理模块内部结构中，还包含如下一些相应的参数设置。

在如上配置中，两个 PMIC使用 3.3 V 输入电压。对于功能安全应用，在VCCA之前有一个保护FET连接到主PMIC的OVPGDRV引脚，允许监控PMIC的输入电源电压。VCCA电压必须是施加到 PMIC 设备的第一个电压，PMIC的VIO_IN在VCCA之后通过负载开关为对应PDN中的VIO_IN 供电。该负载开关还提供了VDDSHVx_MCU 处理器的电压源，通过引入VIO_IN的PMIC GPIO控制信号可以确保在MCU Only低功耗模式期间可以保持活动状态，并在DDR做数据保存（也称为挂起到 RAM）期间被禁用以降低PMIC功耗。

对于双电压I/O情况需要支持包含3.3V 和 1.8V两种情况。使用一种具有逻辑高电平默认值的处理端 LDO可以通过GPIO控制信号将初始的电压I/O值设置为3.3 V。处理器上电期间，引导加载程序SW 可以将 GPIO 信号设置为低电平，从而确保使用端根据需要选择适当的电平（1.8 V）。同时，在未启动 MCU 的情况下，PMIC可以控制 LDO1 电压处理器在操作系统启动期间与PMIC建立 I2C 通信。

这里我们可以举例说明对一些超异构芯片是如何实现MCU Only的控制逻辑。比如在TDA4芯片的MCU Only模式控制上，需要在电源分布式网络 PDN 中使用是四个分立电源组件，其中三个是必需的，一个是可选的，具体取决于根据最终产品的特点。两个TPS22965-Q1负载开关将 VCCA_3V3 电源轨连接到电源保护处理器 I/O 域。通常需要两个负载开关才能实现隔离计算域NPU和实时域MCU，对每个模块进行单独控制，当然也可以在MCU Only低功耗操作的主处理器之间建立电源隔离。TPS62813-Q1 降压转换器也可以为存储单元 LPDDR4 SDRAM 组件提供所需的电源电压（1.1V）。

从TPS6594-Q1 器件到处理器的其他连接GPIO线路也可以通过信号来提供错误监控、处理器复位、处理器唤醒和系统低功耗模式。特定的 GPIO 引脚需要分配给特定的按键信号，这样可以确保在只有少数 GPIO 引脚的情况下保持正常运行在低功耗模式下。