Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mô-đun camera xe

Chiếc xe đầu tiên của bạn, giống như xe của tôi, có thể thiếu các mô-đun cảm biến như camera, radar và lidar giúp hỗ trợ các tính năng an toàn của hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) hiện đại, chẳng hạn như phát hiện điểm mù, hỗ trợ đỗ xe và tránh va chạm. Vì dữ liệu được thu thập bởi các mô-đun cảm biến này có liên quan trực tiếp đến sự an toàn của hành khách nên điều quan trọng là phải đảm bảo chúng luôn hoạt động bình thường. Thật không may, nguyên nhân gây hư hỏng phổ biến là do quá nhiệt hoặc tiếp xúc với độ ẩm trong thời gian dài.

Các cảm biến nhiệt độ chính xác trong camera, radar và liDAR giúp kéo dài tuổi thọ và tăng cường độ an toàn cũng như độ tin cậy. Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét tác động của nhiệt độ lên mô-đun camera trên ô tô.

Hình 1 cho thấy mỗi xe có thể có tới sáu camera. Những máy ảnh này yêu cầu dải động cao và thời gian phản hồi nhanh cũng như độ nhạy sáng tuyệt vời. Để đáp ứng các yêu cầu này, các nhà thiết kế phải tránh để cảm biến hình ảnh hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.

                                                                                Hình 1: Tổng quan về cảm biến ADAS trên xe hiện đại

Như thể hiện trong Hình 2, camera ô tô thường là những khối lập phương khép kín nhỏ (1,4in³) không có hệ thống làm mát chủ động, khiến chúng rất dễ tích tụ nhiệt và nóng lên nhanh chóng. Cảm biến hình ảnh thường được đánh giá ở nhiệt độ hoạt động từ -40 °C đến 125°C (nhiệt độ điểm nối) và -40 °C đến 105°C (nhiệt độ môi trường). Nếu đạt đến giới hạn trên hoặc dưới của các phạm vi này, bộ điều khiển điện tử (ECU) sẽ phải giảm công suất đi vào cảm biến hình ảnh hoặc tắt hoàn toàn cảm biến cho đến khi nhiệt độ trở lại điều kiện hoạt động bình thường. Do đó, việc đo chính xác nhiệt độ của máy ảnh là rất quan trọng.

                                                                                                                Hình 2: Mô-đun camera cho xe ô tô nhỏ

Cảm biến hình ảnh thường sử dụng cảm biến nhiệt độ tích hợp với phạm vi sai số là ±6°C. Lỗi lớn như vậy có nghĩa là ECU có thể hạn chế việc sử dụng camera bằng cách tắt camera sớm hơn hoặc muộn hơn. Những tính toán sai lầm này có thể gây hỏng cảm biến hình ảnh, tạm thời hạn chế chức năng ADAS cho đến khi nó được bảo trì.

Giải pháp là thêm một cảm biến nhiệt độ riêng biệt có khả năng đo nhiệt độ chính xác với sai số nhỏ hơn ±1°C.

rađa

Độ nhạy của bộ thu (RX), độ khuếch đại, tiếng ồn đầu vào và thậm chí công suất bộ phát (TX) đầu ra của cảm biến sóng milimet (mmWave) có thể thay đổi theo nhiệt độ. Trong Hình 3, bộ xử lý chủ cố gắng giảm thiểu tác động của những thay đổi nhiệt độ bằng cách điều chỉnh định kỳ cấu hình mạch trong quá trình vận hành để giữ mức tăng RX và công suất TX càng gần với Cài đặt đã cấu hình càng tốt.

Nhu cầu đo nhiệt độ có độ chính xác cao là do cần phải cân bằng giữa việc tối đa hóa hiệu suất radar và ngăn ngừa thiệt hại do nhiệt do nhiệt độ cao. Để đạt được sự cân bằng này, cảm biến radar phải hoạt động gần giới hạn nhiệt độ trong khi vẫn có thể tắt một cách đáng tin cậy khi gần giới hạn nhất có thể. Việc đạt được điều này có thể khó khăn vì:

Các nhà sản xuất bắt đầu yêu cầu nhiệt độ môi trường cao hơn.

Để giảm chi phí, các nhà sản xuất đang bắt đầu sử dụng vỏ mô-đun bằng nhựa thay vì vỏ kim loại. Kim loại dẫn nhiệt tốt hơn và thường được sử dụng làm bộ tản nhiệt để tản nhiệt sinh ra bên trong mô-đun.

Chip radar có mức tiêu thụ điện năng cao và sẽ gây ra hiện tượng nóng đột ngột.

Cảm biến nhiệt độ nhúng trên chip radar có phạm vi sai số lên tới ±7°C, điều này hạn chế hiệu suất của chip radar. Do lỗi này, bạn có thể tắt máy ở mức ±7°C so với giới hạn hoạt động để tránh hư hỏng.

Ngày nay, các nhà thiết kế hướng tới mục tiêu đạt được độ chính xác về nhiệt độ là ±1°C đối với nhiệt độ của chip trần bên trong chip radar. Để thực hiện việc này, bạn có thể đo sự chênh lệch nhiệt độ bằng hai cảm biến nhiệt độ riêng biệt hoặc sử dụng cảm biến nhiệt độ siêu mỏng dưới chip radar, chẳng hạn như TMP114.

radar laser

Như thể hiện trong Hình 4, các cảm biến LiDAR có thể thu thập dữ liệu tầm ngắn, trung bình và dài, cung cấp các đám mây điểm sâu như một yếu tố quan trọng giúp tăng cường bảo mật chức năng cho ADAS. Lidar bao gồm các mảng laser, cảm biến thời gian bay (ToF) và bộ điều khiển, tất cả đều cần bù nhiệt độ để duy trì hiệu suất. Thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến phép đo phạm vi LiDAR và hiệu suất của mảng laser có thể giảm sút ở nhiệt độ trên 70°C. Cảm biến ToF có mức tiêu thụ điện năng cao, gây ra hiện tượng tỏa nhiệt tự phát và ở nhiệt độ khoảng 105°C, bộ điều khiển thường cần giảm tần số xung nhịp hoặc tắt hoàn toàn để tránh hiện tượng mất kiểm soát nhiệt.

                                                                                                            Phạm vi lidar ô tô

Một cân nhắc quan trọng khi thiết kế hệ thống liDAR là Mức độ toàn vẹn an toàn (ASIL) của xe mục tiêu.

Cả mô-đun LiDAR và camera đều có ống kính có thể vỡ, do đó hệ thống quang học bên trong có thể bị hỏng do độ ẩm. Cảm biến độ ẩm dành cho ô tô, chẳng hạn như HDC3020-Q1, đo độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Hệ thống này phát hiện độ ẩm (có thể chỉ ra rò rỉ) và tính toán thời điểm điểm sương vượt quá (có thể gây ngưng tụ trên ống kính), cho phép hệ thống thông báo cho người dùng để thực hiện hành động khắc phục.

Cách chọn cảm biến nhiệt độ

Khi đánh giá cảm biến nhiệt độ tiếp theo của bạn, hãy cân nhắc đến độ chính xác tối đa của nó, liệu nó có cần báo động hay các tính năng khác không và kênh liên lạc của bạn. Ví dụ, nếu bạn không có bất kỳ kênh ADC nào khả dụng (thường có trong các camera giám sát chu vi và cấp thấp), thì bạn có thể kết nối cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số với kênh I2C hoặc SPI của bộ tuần tự hóa FPD-Link. Nếu bạn chỉ muốn cảnh báo ngưỡng với độ trễ, bạn có thể sử dụng công tắc nhiệt độ được kết nối với đầu vào/đầu ra chung. Khi bạn có kênh ADC, điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt độ tương tự sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ và không bị ảnh hưởng bởi dung sai của linh kiện bên ngoài như trường hợp của các giải pháp nhiệt điện trở rời rạc. Nếu bạn thực sự cần một nhiệt điện trở, hãy cân nhắc đến nhiệt điện trở tuyến tính gốc silicon, có thể giải quyết các vấn đề về độ chính xác và độ tin cậy tồn tại ở nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm (NTC), đồng thời vẫn duy trì được ưu điểm là chi phí thấp và kích thước nhỏ.

lời kết thúc

Hệ thống quang học có độ nhạy cao đòi hỏi phải chẩn đoán chính xác để duy trì hiệu suất vượt trội theo thời gian, giống như mô-đun ADAS RF. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các cảm biến nhiệt độ bên ngoài chính xác, một thành phần cần thiết của mô-đun ADAS đang nhanh chóng trở thành hệ thống quan trọng về an toàn trong tương lai.