作者：德州儀器Bryan Padilla
若要說您的車和我的車最像的地方是哪裡，那有可能是它們都沒有攝影機、雷達和光達之類的感測器模組，而這些配備都可用以強化現代最先進駕駛輔助系統 (ADAS) 安全功能，如盲點偵測、停車輔助和閃避碰撞。由於這些感測器模組所收集的數據與乘客安全直接相關，因此這些模組必須具備堅固耐用特點，能長時間運作且不會出任何差錯。遺憾的是，最常見造成損壞原因之一是長時間過熱運作，或者是暴露在潮濕環境中。
攝影機、雷達和光達中精準的溫度感測器，有助於增強永續性、安全性和可靠性。我們先來看一下車用攝影機模組中的溫度效應。
攝影機
圖 1 說明每輛車最多可以裝載六部攝影機。這些攝影機需要具備絕佳低光源敏感度的高動態範圍及快速回應時間。若要符合這些需求，設計人員必須保護影像感測器，防止其在高溫下長時間運作。
圖 1：現代汽車中的 ADAS 感測器概覽
如圖 2 所示，車用攝影機通常是小型 (1.4 in³) 封閉立方體，不具備主動冷卻功能，形成了完全吸收熱量及快速升溫的環境。影像感測器的額定運作溫度通常為 –40°C 至 125°C (接點) 以及 –40°C 至 105°C (周邊環境)。若達到了範圍的上限或下限，電子控制單位 (ECU) 就必須降低進入影像感測器的功率，或完全關機，直到溫度回復到正常運作狀態。因此，準確掌握攝影機的溫度十分重要。
圖 2：小型車用攝影機模組
影像感測器通常具備嵌入式溫度感測器，其準確度誤差為 ±6°C。如此大的誤差可能會造成 ECU 過早或過晚關閉，繼而限制攝影機的使用。這些計算失誤會對影像感測器造成永久損壞，以及使 ADAS 功能暫時受限，直到修復為止。
解決方法是新增一個獨立式溫度感測器，提供誤差在 ±1°C 以內的準確溫度量測。當選擇適用於特定攝影機拓撲的溫度感測器時，應用說明「透過精確的溫度感測來提高車用及工業用相機的系統可靠性」可助您一臂之力。
雷達
毫米波 (mmWave) 感測器的接收器 (RX) 靈敏度、增益、輸入雜訊，甚至輸出發射器 (TX) 功率，全會因溫度而有所差異。在圖 3 中，主機處理器嘗試透過在運作時間定期調整電路配置來減輕溫度變化的影響，以維持 RX 增益及 TX 功率，使之接近配置的設定。
圖 3：RX 增益 (a) 及 TX 功率 (b) 過熱
之所以需要高度準確的溫度量測，是因為需要在最大化雷達性能和防止高溫下的熱損壞之間，取得微妙平衡。若要達到這種平衡，須將雷達感測器推至其溫度極限，然後在盡可能接近的情況下穩當地關機。要完成這些操作並不容易，因為：
- OEM 已開始要求較高的環境溫度。
- 雖然金屬是更好的熱導體，通常用作從模組內部散熱的散熱器，但是為了降低成本，製造商轉而採用塑膠模組機殼取代金屬外殼。
- 雷達晶片其高功耗的特性會造成自熱。
- 雷達晶片上的嵌入式溫度感測器，錯誤率達 ±7°C，因應此誤差，必須採取保守行動，在達到操作限制值前 ±7°C 時關機，以避免損壞，繼而限制了雷達晶片的性能。
現今，設計人員將目標設為雷達晶片內部晶粒溫度 ±1°C 溫度準確度。為達此目標，可使用兩個獨立式溫度感測器來進行差分溫度量測，或是把超薄溫度感測器，如 TMP114放置於雷達晶片底下。若要進一步了解有關執行差分溫度量測的詳情，請閱讀應用說明「使用差分溫度量測進行零組件溫度監控。」
如需有關零組件下溫度監控的詳細資訊，請閱讀應用說明「配備超小型溫度感測器的零組件下監控。」
光達
如圖 4 所示，光達感測器可擷取短、中、長距離數據，提供深入點雲，可作為 ADAS 功能的安全性關鍵零組件。光達包含雷射陣列、飛行時間 (ToF) 感測器，以及需要溫度補償以維持其性能的控制器。溫度變化會對光達距離量測造成影響，當達到 70°C 以上，雷射陣列性能可能會下降。ToF 感測器具有高功耗導致自熱，而控制器在 105°C 左右通常需要降低其時鐘頻率，或完全關機以避免熱失控。
圖 4：車用光達範圍
適用於光達系統的設計考量要點，是您設定的汽車安全完整性等級 (ASIL) 目標。應用說明「符合使用遠端溫度感測器的 LIDAR 系統的 ASIL 需求」提供幾個可助您快速執行冗餘且多的溫度感測器的點子。
光達和攝影機模組的鏡頭有可能破裂，導致濕氣進入，損壞內部的光學元件。車規濕度感測器如 HDC3020-Q1 會測量相對濕度和溫度。此感測器能偵測濕氣 (表示有洩漏) 並計算露點何時交叉 (可能導致鏡頭上冷凝)，如此可讓系統通知使用者採取正確行動。
選擇溫度感測器
在選擇溫度感測器時，請考量其最高準確度、是否需要警示或其他功能，以及您的通訊頻道。舉例來說，如果沒有任何可用 ADC 通道，如環景系統和低階駕駛監控攝影機，那麼您可將數位溫度感測器連到 FPD-Link 串聯器的 I2C 或 SPI 通道。如果您只是想要一個含磁滯的閾值警示，您可以使用連接至通用輸入/輸出的溫度開關。當您有 ADC 通道可用時，類比溫度感測器具有與溫度成正比的輸出電壓，不受外部元件容差的影響，如離散式熱敏電阻解決方案。如果您確實需要熱敏電阻，矽基線性熱敏電阻可解決負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻眾所周知的準確度和可靠性的問題，同時可維持實惠的價和小體積。
結論
高度敏感的光學和射頻 ADAS 模組對準確度診斷的要求非常相似，以隨著時間實現最佳性能。因此，採用準確的外部溫度感測器成為必然，這是 ADAS 模組的必要組成區塊，且正迅速進化為未來攸關安全的重要系統。
