1 TI 技術手冊

引言

ADAS、車身電子裝置、動力總成等汽車系統需要用到精密數據轉換器。對于每個數據轉換器，在測量汽車信號時，通常都需要一個精確的基準電壓 (VREF) 以便誤差盡可能低。許多數據轉換器可以合并內部基準，但在 CMOS 技術中很難找到一個內部基準電壓能夠達到雙極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數字處理中更為復雜，由于存在各種固有的時鐘噪聲，內部基準往往會有噪聲。因此，通常需要使用外部基準電壓來進行更精確的測量。

圖 1-1 簡化的 ADAS 前置攝像頭示意圖

用于監控 1% 1V 電壓軌的基準電壓

在汽車高級駕駛輔助系統 (ADAS) 中，監控 MCU/DSP/FPGA 中使用的電壓軌非常重要。通過 ADC 和電壓監控器組合來獨立監控電壓軌，確保電壓軌不會超過可能導致欠壓或過壓事件（可能損壞 MCU/DSP/FPGA）的某個電壓。通常，這些 ADC 在微控制器 (MCU) 內部，用于確保電壓軌正常工作。在 MCU 上連接一個外部 VREF 以保證精度，并確保內部 ADC 有一個冗余的基準電壓以保證穩健性，這種情況并不罕見。通過添加一個外部 VREF，有可能得到一個精確的 ADC，不需要校準就可以監控 1% 1V 電壓軌。

圖 1-2 帶 MCU 的 REF3430-Q1

為了確保系統符合誤差規格，務必要對信號鏈進行表征以了解電壓軌誤差，這一點非常重要。電壓軌誤差日趨嚴格，因為允許的總誤差一直在減小，從而可以打造出一個更優化的系統。表征 MCU 中的信號鏈誤差時會存在一個問題，即內部基準電壓通常不會像外部電壓基準那樣全面而深入地表征，而且往往缺乏最差值上限。因此，很難計算出系統最壞情況下的誤差。使用外部基準電壓可解決這一難題，如圖 1-2 中的 REF3430-Q1 所示。

表 1-1 所示為關于電壓軌監控要求的一個示例，該要求為通過微型計算機監控 ADAS 系統中精密 MCU 的 1V 電壓軌。由于某些電壓電源軌嚴格要求限制在一定的電壓范圍內，我們希望確保信號鏈系統的總誤差小于 1%，這樣就可以測量偏差，在本例中偏差為 10mV。

對于 1V 直流測量，可以通過一個外部基準電壓來計算總誤差。可通過兩種方法來計算系統誤差：一種是最壞情況法，另一種則是和的平方根 (RSS)法。誤差計算之間的主要區別在于如何組合一個系統的各個誤差。在基于最壞情況的誤差計算中，所有誤差都是它們最壞情況的疊加，結果趨于保守，雖能確保每個器件都正常工作，但主要缺點是要考慮到 6 個以上 Σ 的事件，這會使系統成本增加。最壞情況法的一種常見替代方法是基于統計公差分析的 RSS 法。之所以使用 RSS，是因為它提供了一個更實際的、基于分布的可接受限值。而在本例中，我們使用 RSS 是因為它能夠更真實地表示誤差。

VREF 基準計算的總誤差是初始精度、溫度系數等所有誤差的總和。為了計算總誤差，所有誤差都應采用通用單位，如Equation1中的 ppm（百萬分率）。通過校準可以進一步減小 VREF 總誤差，因為校準可以消除初始精度和溫度系數等靜態誤差。本例中省略了焊接漂移、負載調節、線路調節等誤差，但可以將這些誤差一并加入，從而計算出 VREF 總誤差的更準確值。Equation1 所示為如何使用 RSS 法合并所有這些誤差。

Equation1.

選擇 ADC 時，找到一個誤差盡可能小的 ADC 非常重要。本例使用了符合表 1-3 中所示規格的內部 MCU ADC。這種情況下的 ADC 總誤差也稱為總體未調誤差，它的計算方法類似于使用 RSS 法計算 VREF 總誤差。

Equation2.

進行誤差計算時，ADC 的誤差是獨立的，但基準電壓的誤差與 ADC 模擬輸入信號成正比。Equation2 中計算的 VREF 總誤差只有在模擬輸入信號為滿刻度時才有效。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Equation3 中看到。

Equation3.

在 ADC 規格下，使用Equation4 將 VREF 總誤差轉換為 LSB，如此一來，使用Equation5 中的 RSS 法可以合并 VREF 和 ADC。

Equation4.

Equation5.

Equation6.

表 1-4 總結了系統的最終誤差，因為外部基準電壓可以幫助表征誤差以確保滿足最小精度。在實踐中，測量值將比 RSS 總誤差更精確，但該誤差可以為實現改進提供一個基準。主要誤差來自 ADC，因此選擇更精確的 ADC 即可輕松減小系統的 ADC 誤差。還有一些技術可用于改善基準電壓誤差，例如使用更高的外部基準電壓。在表 1-5 中，有一些備選基準電壓器件可幫助減小這種誤差或節省電力。