隨著汽車產業朝著半自動和全自動駕駛汽車的概念邁進，各種復雜且靈敏的電子系統大大增加。從社會效益角度看，自動化有望使道路更安全，更少發生事故，并能主動緩解交通擁堵。自動駕駛需要多個高性能的互連傳感器和子系統，才能可靠和安全地運行。電動或混合動力汽車的應用環境在電氣層面非常嚴酷，且具有嘈雜的噪聲，使可能存在的技術挑戰進一步復雜化。系統可能會由于內部干擾源（例如EMI）、瞬態和外部影響（例如路邊C2X基礎設施）而導致影響其他重要系統的運行。
先進駕駛員輔助系統（ADAS）是車輛自動駕駛的基礎，在完全自動駕駛時，它可以與更高級、更復雜的其它應用協同工作。當汽車以任何半自動模式（Level 1～Level 3）運行時，這種ADAS系統還能夠直接通知駕駛員即將發生的情況。車輛的不同自動駕駛級別如圖1所示。
圖1：汽車工程師協會（SAE）定義的車輛自動駕駛級別。（來源：SAE）
本文將重點介紹先進自動駕駛汽車傳感系統的體系架構，以及用于在汽車子系統中傳輸數據的協議和接口。我們還將探討干擾源，并提出減輕這些有害信號可能對車輛安全運行產生影響的技術。
自動駕駛車輛系統架構
在自動駕駛汽車中，“電子駕駛員”的眼睛和耳朵包含有無數種不同的傳感器，參見圖2，所有傳感器都聯網到中央計算機系統，由其負責在任何駕駛情況下安全地導航車輛。
圖2：先進的自動駕駛車輛感應系統。（來源：Littelfuse）
傳感器包括用于能夠在車輛前方很長距離檢測其它車輛、行人、各種移動物體的遠程RF雷達，以及具有機器學習卷積網絡的視頻子系統，以檢測行人、道路標志和車道偏離。其他傳感器包括360度視頻攝像頭系統，用于使車輛知曉周圍移動或靜止物體情況。為了始終準確地確定車輛位置，高性能GNSS導航可提供厘米級定位精度和導航推測（Dead Reckoning）能力，即使當車輛進入城市中典型的城市街谷或通過隧道時，也可以進行精確導航。
可靠且強大的網絡協議CAN和以太網互連子系統具有可接受的（<5ms）延遲級別。視頻和雷達子系統的趨勢是，它們越來越多地包括機器學習推理引擎，以便在檢測到物體時進行檢測和分類，而不是將額外的計算工作量交由中央系統。該方法還減少了實時延遲，這對于以超過30m/s（70mph/112kph）速度行駛的車輛來說是一個至關重要的設計考慮因素。延遲會影響及時的決策，并妨礙將云連接用于任何實時駕駛任務。例如，一個4G蜂窩網絡的典型往返延遲為60毫秒，根據上述速度，車輛已經行駛過1.8米。FlexRay和LIN是另外兩個廣泛使用的汽車網絡協議。
為了滿足車輛信息娛樂系統和視頻傳輸要求，HD BaseT正在逐漸成為一種可行的網絡協議。HDBaseT結合了HDMI和以太網的優點，使用單根電纜即可將音頻、視頻、以太網、100W以太網供電（PoE）、系統控件和USB匯聚在一起。這個協議針對不同層面進行了優化，建議采用單個非屏蔽電纜對來實現長達15m的設備連接。通過將不同的傳輸內容整合到一根電纜，還可以節省大量的電纜重量、安裝工作量和材料成本。
為了使自動駕駛車輛安全可靠地運行，所有相互連接且相互依賴的系統都需要連續且無故障運行。如果傳感器開始出現故障，或者監控電路子系統檢測到性能不及標準，則必須立即發出警報，通知中央計算機以啟動故障保護安全停車。
技術挑戰以及解決策略
電子傳感器和相關子系統通過利用高度復雜的模擬和數字組件來運行，這些設備容易受到電氣瞬態、電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）等干擾。瞬態產生自電源軌，源于dV/dt的快速開關，并會產生比額定電源電壓大許多倍的電壓尖峰。大功率馬達和其他電感性負載在運行過程中會導致出現快速浪涌瞬態，電動汽車中相關的驅動鏈無疑也是瞬態來源。而且，用于電動轉向、舒適性和車身控制的小型馬達以及電動駐車制動器也會產生明顯瞬態。這些瞬態可以沿公共電源線通過傳導進入子系統，也可能通過連接傳感器的相鄰電纜中的互相感應，進入到子系統或連接到中央計算機的子系統網絡。如果沒有足夠的保護，瞬態會導致微處理器復位、鎖定，或在極端情況下造成關鍵組件的物理損壞。
同樣，感應的EMI可能會導致不可預測和不穩定的系統行為，這些EMI可能出自不同來源，包括無線接入點和智能手機等等。同樣，也需要加以保護，以防止EMI明顯地干擾關鍵系統運行。
靜電放電對于敏感電子組件是一個需要特別關注的問題。這些敏感電子組件需要在整個供應鏈中和生產過程中進行特殊處理，但在最終的應用電路中也需要保護。像瞬態一樣，靜電放電會導致出現巨大的電壓尖峰，并且可能是由于車輛橡膠輪胎與道路摩擦，以及人與織物的接觸摩擦而積聚的能量所致。在低濕度地區行駛的車輛容易產生靜電。
保護ADAS通信和控制子系統
圖3重點顯示了ADAS通信和控制子系統的主要功能模塊，包括應采用的保護器件。
圖3：ADAS通信和控制子系統以及對保護器件的要求。（來源：Littelfuse）
每個通信鏈路（2、3、4和5）都需要瞬態和ESD保護，而且應該適合相應協議的電氣規格和數據速率。最快的協議是以太網，其比特率通常在100Mbps～10Gbps范圍內。對于高速差分以太網接口，推薦的ESD和瞬態浪涌保護方法包括使用聚合物ESD抑制器，例如經AEC-Q200認證的Littelfuse AXGD Xtreme-Guard系列。
圖4顯示了從差分雙絞線到以太網PHY的以太網連接中配置AXGD系列器件的位置。AXGD系列具有快速的響應時間，并能夠吸收高達30kV和50A的瞬態，可憑借單個封裝保護差分對。同樣，由于其電容值極低，ESD保護不會影響高達1Gbps的以太網數據速率。
圖4：用于以太網收發器的聚合物ESD保護器件功能框圖。（來源：Littelfuse）
對于CAN收發器接口，建議使用二極管陣列來保護系統免受快速瞬態和ESD影響。
采用齊納二極管進行瞬態電壓抑制（TVS）的另一個示例是Littelfuse SZ1SMB系列600W TVS二極管。SZ1SMB系列可理想用于圖3中的Item 1等電源，具有出色的鉗位能力、快速響應時間，并可吸收高浪涌瞬態。
汽車電子標準
在為汽車電子系統而選擇瞬態和ESD保護器件時，建議應該對適用的國際標準有所了解。有三個最基本的ISO標準，即ISO7637-2，ISO16750-2和ISO10605：2008。除了這些標準之外，汽車電子理事會（AEC）還制定了一系列質量標準，其中確定了汽車電子系統中使用器件的機械、電氣和環境應力要求。相關標準包括用于半導體和二極管等分立元件的AEC-Q101，以及用于電容器、電阻器和電感器等無源元件的AEC-Q200。
結論
保護自動駕駛車輛的電子系統免受瞬態、EMI和ESD的影響對于確保汽車連續、可靠和無故障運行至關重要。自動駕駛車輛有望顯著減少交通擁堵，并為駕駛員、乘客和行人提供更安全的道路。通過使用浪涌和靜電保護元件，設計人員將更有信心相信，他們的系統會足夠強大，且能夠耐受任何不必要的電氣干擾。