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低EMI/EMC開關轉換器簡化ADAS設計

發(fā)布時間:2018-06-05 來源:Tony Armstrong 責任編輯:lina

【導讀】ADAS在汽車和卡車市場中的推廣不會很快結束。同樣清楚的是,找到合適的功率轉換器件以滿足所有必要的性能指標,從而不干擾ADAS,不是一項簡單的任務。

  
 
ADAS是高級駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫,它在當今許多新型汽車和卡車中很常見。此類系統(tǒng)通常有助于安全駕駛;當檢測到周圍物體(例如不遵守交通規(guī)則的行人、騎車人,甚至有其他車輛位于不安全的行駛軌跡上)構成風險時,系統(tǒng)可以向駕駛員提供警報!此外,這些系統(tǒng)通常提供自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員困倦監(jiān)控、自動制動、牽引控制和夜視等動態(tài)特性。因此,消費者對安全性日益增強的重視、對駕駛舒適性的要求以及政府安全法規(guī)的不斷增加,是未來十年后半時期汽車ADAS的主要增長動力。
 
這種增長對行業(yè)來說并不是沒有挑戰(zhàn),包括價格壓力、通貨膨脹、復雜性和系統(tǒng)測試的困難性。此外,歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一,這點不足為奇,ADAS的市場滲透率和客戶接受度均有重大突破。不過,美國和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標是實現(xiàn)無需人類在方向盤后面干預的自動駕駛!
 
系統(tǒng)難題
 
一般來說,ADAS集成了一些微處理器來收集車內眾多傳感器提供的所有輸入,然后進行處理,以便可以將其方便易懂地呈現(xiàn)給駕駛員。此外,這些系統(tǒng)通常由車輛主電池直接供電,其標稱電壓為9 V至18 V,但由于系統(tǒng)內部的電壓瞬變,電壓可能高達42 V,而在冷啟動期間,電壓可能低至3.4 V。因此,這些系統(tǒng)中的任何DC-DC轉換器都必須至少能夠處理3.4 V至42 V的寬輸入電壓范圍。另外,許多雙電池系統(tǒng)(例如卡車中常見的雙電池系統(tǒng))需要更寬的輸入范圍,上限推高至65 V。因此,一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設計為覆蓋3.4 V至65 V的輸入范圍,使其可用于汽車或卡車中,同時在制造過程中獲得規(guī)模經濟的好處。
 
大部分ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC器件供電。相應地,此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個轉換器來同時解決單電瓶和雙電瓶配置。此外,該系統(tǒng)通常安裝在車輛中空間和散熱均受限制的部分中,這會給用于散熱目的的散熱器帶來限制。雖然采用高壓DC-DC轉換器直接從電池產生5 V和3.3 V電源軌是司空見慣的,但在如今的ADAS中,開關穩(wěn)壓器也必須達到2 MHz或更高的開關頻率,而非以前的500 kHz以下開關頻率。這一變化背后的關鍵驅動力是需要更小尺寸的解決方案,同時也要保持在AM頻段之上,以避開任何潛在的干擾。
 
另外,好像設計人員的任務還不夠復雜一樣,他們還必須確保ADAS符合車內各種抗噪標準。在汽車環(huán)境中,開關穩(wěn)壓器正在取代那些重視低發(fā)熱和高效率的區(qū)域中的線性穩(wěn)壓器。而且,開關穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源部件,因此對整個轉換器電路的EMI性能有著重要影響。
 
EMI發(fā)射有兩類:傳導和輻射。傳導發(fā)射位于連接到產品的電線和走線上。由于該噪聲局限于設計中的特定端子或連接器,因此在開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設計,通??梢韵鄬θ菀椎乇WC符合傳導輻射要求。
 
不過,輻射發(fā)射完全是另一回事。電路板上任何承載電流的東西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線,每個銅層都是一個諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外,任何其他東西都會在整個信號頻譜上產生噪聲。即使精心設計,在系統(tǒng)進行測試之前,電源設計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕——而輻射發(fā)射測試只有在設計基本完成之后才能正式進行。
 
常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強度,從而降低EMI。通過空間傳播(輻射)的這部分能量可通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。位于PCB走線(傳導)的能量部分可通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來抑制。EMI無法消除,但可以衰減到其他通信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外,多家監(jiān)管機構通過實施相關標準來確保產品合規(guī)。
 
現(xiàn)代輸入濾波器采用表面安裝技術擁有比通孔器件更好的性能。但是,這種改善跟不上開關穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開/關時間和更快的開關躍遷,導致諧波含量更高。所有其他參數(shù)(如開關容量和轉換時間)保持不變時,開關頻率每增加一倍,EMI就會惡化6 dB。如果開關頻率增加10倍,寬帶EMI就會像輻射增加20 dB的一階高通濾波器一樣。
 
有經驗的PCB設計人員會將熱環(huán)路變小,并讓屏蔽接地層盡可能靠近有源層。盡管如此,器件引腳排列、封裝結構、散熱設計要求以及在去耦元件中儲存充足能量所需的封裝尺寸,都要求某一最小尺寸的熱環(huán)路。更復雜的是,在典型平面印刷電路板中,走線之間高于30 MHz的磁性或變壓器式耦合會削弱所有濾波器的作用,因為諧波頻率越高,不良磁耦合就越顯著。
 
低EMI輻射的高電壓DC-DC轉換器
 
鑒于上文所述的應用限制,ADI公司Power by Linear部門開發(fā)出LT8645S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻射的同步降壓轉換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V,因而既適合汽車應用,也適合卡車應用,包括ADAS,后者必須勝任冷啟動和啟停場景下的調節(jié),最低輸入電壓低至3.4 V,電源切斷瞬變超過60 V。如圖1所示,該器件采用單通道設計,提供5 V、8 A輸出。開關頻率為2 MHz時,其同步整流拓撲可實現(xiàn)高達94%的效率,而在空載待機條件下,突發(fā)工作模式(Burst Mode)保持靜態(tài)電流低于2.5 μA,因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。
 

圖1. 提供5 V、8 A、2 MHz輸出的LT8645S原理圖
 
LT8645S的開關頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內進行編程,并且在整個頻率范圍內都支持同步。其獨特的Silent Switcher 2架構集成了內部輸入電容以及內部BST和INTVCC電容,以縮小解決方案尺寸。結合嚴格受控的開關邊沿和集成接地層的內部結構,并用銅柱代替鍵合線,LT8645S的設計大大降低了EMI輻射。此外,其Silent Switcher 2設計還能在任何印刷電路板(PCB,包括2層PCB)上提供魯棒的EMI性能。而且,與其他類似轉換器相比,它對PCB布局的敏感度要低得多。這是因為,LT8645S的內部雙路輸入、BST和INTVCC電容將熱環(huán)路面積減至最小,使性能達到新的水平。它仍然需要兩個外部輸入電容,但不再嚴格要求把這些電容放在盡可能靠近輸入引腳的位置。結合內部電容(其使熱環(huán)路面積最?。?,BT襯底的集成接地層使EMI性能顯著提高(見圖2)。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的圖案,同時支持實現(xiàn)大型接地焊盤。這種層壓式QFN (LQFN)封裝比標準QFN更柔韌且更靈活,其焊點可靠性在板級溫度循環(huán)期間表現(xiàn)出好得多的性能,使得客戶在以前只能使用含鉛器件的情況下可以使用LQFN。
 
在整個負載范圍內,LT8645S可以輕松符合汽車CISPR25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用擴頻頻率調制進一步降低EMI水平(圖2)。LT8645S內置高效率頂部和底部功率開關,并將必要的升壓二極管、振蕩器以及控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)工作模式可在低輸出電流下保持高效率,同時使輸出紋波低于10 mV p-p。最后,LT8645S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。
 

圖2. LT8640S輻射EMI性能圖
 
結論
 
ADAS在汽車和卡車市場中的推廣不會很快結束。同樣清楚的是,找到合適的功率轉換器件以滿足所有必要的性能指標,從而不干擾ADAS,不是一項簡單的任務。幸運的是,此類汽車系統(tǒng)的設計人員現(xiàn)在可以獲得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC轉換器提供的強大性能和能力。這些器件不僅大大簡化了電源設計人員的工作,同時還提供其所需要的全部性能,而不要求復雜的布局或設計技術。
 
 
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