背景知識

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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品合規(guī)。

圖 1. 提供 5 V、8 A、2 MHz 輸出的 LT8645S 原理圖

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 EM I就會像輻射增加 20 dB 的一階高通濾波器一樣。

有經(jīng)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(diào)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。

LT8645S 的開關頻率可以在 200 kHz 到 2.2 MHz 范圍內(nèi)進行編程，并且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨特的 Silent Switcher® 2 架構集成了內(nèi)部輸入電容以及內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部電容(其使熱環(huán)路面積最小)，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。

The LT8645S can easily pass the automotive CISPR25, Class 5 peak EMI limits over its entire load range. Spread spectrum frequency modulation is also available to lower EMI levels further (Figure 2). The LT8645S utilizes internal top and bottom high efficiency power switches with the necessary boost diode, oscillator, and control and logic circuitry integrated into a single die. Low ripple Burst Mode operation maintains high efficiency at low output currents while keeping output ripple below 10 mV p-p. Finally, the LT8645S is packaged in a small thermally enhanced 4 mm × 6 mm, 32-lead LQFN package.

在整個負載范圍內(nèi)，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(diào)制進一步降低 EMI 水平(圖 2)。LT8645S 內(nèi)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。

Figure 2. LT8640S radiated EMI performance graph.

圖 2.LT8640S 輻射 EMI 性能圖

Conclusion

結論

The proliferation of ADASs in cars and trucks is not going to end anytime soon. It is also clear that finding the right power conversion device that meets all the necessary performance metrics so as not to interfere with the ADAS is not a simple task. Fortunately, the designers of these automotive systems can now have the high performance capabilities afforded by the Silent Switcher 2 dc-to-dc converters from Analog Devices. Not only do they greatly simplify power designers’ tasks, they simultaneously deliver all the performance needed without requiring sophisticated layout or design techniques.

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。