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功率设计在汽车设计中的重要性

2019年01月23日 10:49:18 供稿: 电子创新网

汽车上的电子设施非常多,随着汽车变得更加智能并且逐步实现完全自动化,这些电子设备也会不断的增加。

现在汽车上电子控制单元(ECU)的数量平均超过了40个,其中一些豪华汽车上集成了超过100个独立的计算单元。随着数字驾驶、先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车(AV)的出现,对于高质量的人机交互界面(HMI)和自动驾驶功能的需求也呈现指数级增长,这种对于功耗需求的增加亟待解决,汽车系统对于电子设施功耗有着严格的预算范围。

功耗需求的增加

根据经验,汽车工程师协会(SAE)制定的驾驶水平图表的每一级与下一级之间的处理能力可能会增加10倍。零级表示不带有辅助驾驶功能,五级表示汽车可以在任何环境下实现自动驾驶。目前新款汽车都已经具备了二级驾驶能力,当然要实现完全自动驾驶还有很长的路要走。

功率设计,汽车设计

图:汽车工程师协会(SAE)制定的驾驶等级

汽车系统中许多传统上不使用电子组件的部分都将采用电子设备,这就给汽车的功耗设计带来了越来越大的挑战。现在车辆中主要的子系统包括电动机管理单元、多媒体、加热系统、通风及空调(HVAC)设施、底盘电气化、照明(外部和内部)以及面向未来的应用,比如自动驾驶(AV),这些都会导致汽车功耗的增加。

看看汽车仪表盘本身,它采用12V电池驱动,但是没有无限的发电能力。我们最近也看到一些大型SoC芯片的功耗范围在100-300W,这也意味着这些芯片不会很快应用到汽车的仪表盘系统中。

其中一个主要问题是温度,面向全球市场而生产的汽车必须能够在-40℃至150℃范围内正常工作,从寒冷的南北两极到撒哈拉沙漠的酷暑。汽车内部以及仪表盘的温度可能远高于外部环境温度,而且器件工作过程中也会不断的发热,如果功耗过大,超过了器件的温度承受极限就会造成器件的不可靠性,甚至发生故障。

许多汽车厂商都在开发半自动化汽车,电子系统的功耗在100W以上,这对于系统原型设计还好,但是将其投入到量产车中可能不得不增加昂贵的水冷系统,这会影响汽车的可靠性而且增加成本。

解决未来的功耗需求

我们来审视下SoC,尤其是GPU,有多种方法可以降低功耗。在过去十年中,随着电子技术的发展,电源管理的复杂性急剧增加,因此电源不得不应用到更大的SoC项目中,最大的影响是在架构上看待这个问题,并从最高层次来解决它——这也是PowerVR多年来为移动市场所做的事情。

目前有多种技术可以应用到SoC以及芯片核心中,比如时钟门、功率门、保存和恢复特性、动态电压和频率缩放(DVFS)。SoC器件内部的每个部分都被分割成不同的电源孤岛,可以在使用的时候打开,不使用的时候关闭。执行指令时高级器件可以打开SoC的相关部分,电源孤岛还可以设置在不同的电压轨道上,根据性能和功率要求进行调节。它们还会以较慢的速度进行计时,在没有完全加载时降低功耗。

电源架构师面临的问题之一是没有关于如何处理电源管理的特定标准,因此SoC由来自不同厂商的多个核心组成,这意味着它可以具有一系列不同的电源管理方法,这些方法必须在体系结构级别上进行处理。

在GPU中除了前面提到的设计技术之外,还有很多方法可以降低功耗,其中一种是分块延迟渲染技术(TBDR),设备的本地内存来存储贴片内容,这减少了外部内存的带宽,从而降低了功耗。

我们还有一系列压缩技术来减少内存带宽,例如,在PowerVR中有三种压缩技术:纹理、图像和参数。这些有助于降低内存使用带宽和功耗。

随着真彩色纹理在基态下占用大量的内存,对其进行纹理压缩变得十分的必要。PowerVR有自己的纹理压缩算法,我们称为PVRTC,该技术可以大幅度降低纹理大小,从而减少内存带宽。

总结

随着第4级和第5级自动驾驶所需的计算能力大幅提高,以及ECU在汽车内的扩展和功率预算的限制,功耗正成为SoC设计师面临的关键问题。有了先进的技术和分析工具的支持,这些复杂的电源管理问题可以很高效的来解决。

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