如何為車(chē)輛ADAS設(shè)計(jì)更好的高電流開(kāi)關(guān)電源

在如今的車(chē)輛之中，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)的重要性與日俱增。它們可以幫助盡可能減少人為操作錯(cuò)誤，提升駕駛員和道路安全。早期的ADAS只包含單個(gè)自動(dòng)駕駛員輔助功能，例如使用一個(gè)雷達(dá)傳感器的自適應(yīng)巡航控制功能。現(xiàn)在，越來(lái)越多的ADAS功能被應(yīng)用到汽車(chē)上，例如自動(dòng)緊急停車(chē)、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、車(chē)輛/行人報(bào)警和避讓、車(chē)道偏離報(bào)警和輔助等。ADAS的發(fā)展意味著這些車(chē)輛會(huì)使用更多的傳感器和攝像頭、功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，以及高速通信，而這些均提高了耗電量。例如，第一代ADAS片上系統(tǒng)(SoC)(例如2008年的Mobileye EyeQ)僅消耗2W~3W功率。但新發(fā)布的ADAS SoC，例如NVIDIA® Xavier?，由于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力，需消耗20W~30W或更多功率。ADAS的電源由12V電池提供。它先被轉(zhuǎn)換成5V或3.3V中間供電軌，然后轉(zhuǎn)換成SoC內(nèi)核、接口、外設(shè)等所需的不同的低電壓。在ADAS SoC的功耗增大之后，中間供電軌轉(zhuǎn)換器需要輸出10A或更高的電流，以滿(mǎn)足其要求。

在設(shè)計(jì)大電流中間電源時(shí)，傳統(tǒng)方法是使用降壓控制器。但是，由于需要使用外部MOSFET，所以這種方法的總解決方案尺寸較大。因此很難將控制器電源解決方案安裝到空間有限的位置，這是汽車(chē)ADAS應(yīng)用面臨的常見(jiàn)問(wèn)題。關(guān)于汽車(chē)開(kāi)關(guān)電源的另一個(gè)問(wèn)題是：電磁輻射。電源設(shè)計(jì)人員需要解決嚴(yán)格的輻射和傳導(dǎo)電磁輻射限制帶來(lái)的挑戰(zhàn)，汽車(chē)行業(yè)必須遵守該限制。在功耗增加之后，這些電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)更難以滿(mǎn)足。為了滿(mǎn)足功率、尺寸和電磁輻射限制，ADI公司開(kāi)發(fā)了2款42V大電流單片式Silent Switcher穩(wěn)壓器：LT8638S和LT8648S。

使用LT8638S的緊湊型10A/12A峰值電源解決方案

LT8638S是一款42V、10A單通道降壓穩(wěn)壓器，采用4mm × 5mm LQFN封裝，其中包含所有控制電路和MOSFET。短時(shí)間內(nèi)，其輸出電流可以達(dá)到12A。LT8638S是非常適合用于緊湊型10A中間供電軌的替代選項(xiàng)。圖1顯示了典型的5V/10A LT8638S的原理圖。LT8638S穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率可在200kHz至3MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。表1列出了400kHz LT8638S電路和2MHz LT8638S電路的主要組成部分。圖2顯示在演示板DC2929A上，在400kHz和2MHz時(shí)，LT8638S的效率和溫度升高情況。

圖1.使用LT8638S的5 V/10 A電源

表1.圖1所示的原理圖包含的組件

圖2.圖1所示的電路的效率和溫度上升情況

比較LT8638S 400kHz電路和LT8638S 2MHz電路，可以看出，400kHz電路的電感大小是2MHz電感的2.5倍，400kHz電路的輸出電容的大小是2MHz輸出電容的3倍。所以，對(duì)于非常關(guān)注尺寸大小和成本的應(yīng)用，2MHz開(kāi)關(guān)頻率更為合適。阻礙電源設(shè)計(jì)工程師使用2MHz(開(kāi)關(guān)頻率)的主要問(wèn)題是效率和熱性能，因?yàn)樵诟唛_(kāi)關(guān)頻率下，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)顯著增大。LT8638S使用快速開(kāi)關(guān)邊沿來(lái)盡可能降低開(kāi)關(guān)損耗，以緩解這些問(wèn)題，如圖3所示。如圖2所示，在開(kāi)關(guān)頻率為2MHz，輸出功率為50W時(shí)，LT8638S的溫度僅上升60°C。在10A負(fù)載下，2MHz和400kHz開(kāi)關(guān)頻率之間的效率差異在1.5%以?xún)?nèi)。

圖3.輸入為12V，負(fù)載為10A時(shí)，LT8638S的開(kāi)關(guān)邊沿

在高開(kāi)關(guān)頻率下，快速開(kāi)關(guān)邊沿有助于提高效率，但可能會(huì)加劇電磁輻射。LT8638S采用Silent Switcher架構(gòu)，不但支持快速開(kāi)關(guān)邊沿，還可實(shí)現(xiàn)更低的EMI，且解決方案的尺寸要更小。圖4顯示EMI很低的2MHz LT8638S電路。為了實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能，該穩(wěn)壓器連接SYNC/MODE引腳和INTVCC引腳，以使用展頻模式。圖5顯示采用圖4的電路時(shí)LT8638S的輻射，測(cè)試設(shè)置由CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)定義。紅線(xiàn)代表CISPR 25 5類(lèi)限值，這是汽車(chē)行業(yè)中要求最嚴(yán)格的輻射規(guī)范。采用很少的幾個(gè)額外組件構(gòu)成輸入濾波器(如圖4所示)，LT8638S可以滿(mǎn)足CISPR 25 5類(lèi)規(guī)范嚴(yán)格的峰值和平均值限值。

圖4.EMI很低的LT8638S電路

圖5.圖4所示的電路(在10A時(shí)，12V輸入轉(zhuǎn)換為3.3V輸出)的輻射EMI和傳導(dǎo)EMI

使用LT8648S、電流更高的單片式電源解決方案

復(fù)雜的ADAS需要使用多個(gè)SoC，以及多個(gè)攝像頭和傳感器。例如，免接觸式ADAS可能采用多個(gè)非常耗電的芯片，以及多達(dá)11個(gè)攝像頭。LT8648S具有高于LT8638S的輸出電流能力，可以安裝在這些復(fù)雜的ADAS所需的中間供電軌上。LT8648S是一款單片式42V、15A降壓穩(wěn)壓器，其輸出電流和功率電平與使用外部MOSFET的功率控制器解決方案相近。通過(guò)并行使用多個(gè)LT8648S，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其電流能力。

圖6顯示并行使用兩個(gè)LT8648S器件的3.3V/25A, 2MHz電路的原理圖。這兩個(gè)LT8648S穩(wěn)壓器有共同的輸入和輸出。EN/UV和SS引腳連接，確保兩個(gè)穩(wěn)壓器能按照相同的壓擺率同時(shí)啟動(dòng)。LT8648S使用峰值電流模式控制，使得誤差放大器輸出VC電壓與負(fù)載電流相關(guān)。通過(guò)連接VC和FB引腳，這兩個(gè)并行的LT8648S無(wú)需使用外部電路，即可實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的電流平衡。U1 LT8648S的CLKOUT引腳連接至U2 LT8648S的SYNC/MODE引腳。連接之后，兩個(gè)LT8648S穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)同步，且支持180°相移。

圖6.并行使用兩個(gè)LT8648S的2MHz 3.3V/25A應(yīng)用

圖7所示圖6電路的效率和溫度上升情況。U1和U2的溫度幾乎相同，表示該并行應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的電流均衡。高開(kāi)關(guān)頻率和外部補(bǔ)償支持實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。圖8顯示圖6所示的電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7.圖6所示的電路的效率和溫度上升情況

圖8.圖6所示的電路的10A至20A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

本文介紹兩款高電流42V單片式Silent Switcher穩(wěn)壓器LT8638S和LT8648S。它們具有高效率和低輻射，緩解了在嚴(yán)苛的汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中存在的散熱和EMI問(wèn)題。LT8638S和LT8648S集成MOSFET，為快速發(fā)展的汽車(chē)ADAS所需的高電流中間電源提供尺寸小巧的解決方案。