克服傳統(tǒng)電源EMC布局敏感性，Silent Switcher 2完美解決汽車EMI

汽車的創(chuàng)新 70%于汽車電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品成本占整車比例已經(jīng)從上世紀(jì)70年代的4%成長到現(xiàn)在的30%左右，隨著自動(dòng)駕駛和電動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)演進(jìn)，業(yè)界預(yù)期到2030年該比例將可達(dá)到50%。

汽車電子系統(tǒng)比重的增加顯著提高了汽車整車的舒適性、安全性和環(huán)保，但也讓汽車設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。例如，預(yù)計(jì)隨著L4級(jí)及以上等級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車軟件達(dá)數(shù)千萬行代碼，當(dāng)然硬件設(shè)計(jì)必然更加復(fù)雜，特別是對(duì)于確保硬件穩(wěn)定可靠性的EMC要求將更嚴(yán)格。事實(shí)上，汽車電子系統(tǒng)對(duì)于供應(yīng)商提供的芯片和印制電路板的電磁輻射特性要求特別高，SAE(原汽車工程師協(xié)會(huì))已經(jīng)定義測(cè)試規(guī)范并建立滿足電磁兼容和電磁干擾的需求，并對(duì)其進(jìn)行了不斷的完善。

在汽車系統(tǒng)中，滿足電磁干擾要求是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。EMI 性能很大程度上依賴于電路板的布局和類型，常常需要反復(fù)進(jìn)行多次印刷電路板的設(shè)計(jì)，這會(huì)導(dǎo)致高昂的研發(fā)成本和長時(shí)間的開發(fā)周期。電源作為EMI的貢獻(xiàn)“大戶”，通常是EMC驗(yàn)證的關(guān)鍵，本文將分析一種采用ADI第二代 Silent Switcher 2 技術(shù)的雙通道降壓型穩(wěn)壓器的汽車電源解決方案。

與電路板“抗?fàn)?rdquo;的傳統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)方法論

怎樣輕松解決汽車環(huán)境中的EMI問題?傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是印刷電路板布局決定著所有的成敗，決定著功能、電磁干擾(EMI)和受熱時(shí)的表現(xiàn)。而開關(guān)電源布局是成功的關(guān)鍵，從一開始就需要精心選擇解決方案，并設(shè)計(jì)一個(gè)良好的布局，否則會(huì)有無盡的EMI濾波器、機(jī)械屏蔽、EMI測(cè)試和PCB改板的煩惱。

而且，當(dāng)為了實(shí)現(xiàn)均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個(gè)DC/DC開關(guān)模式穩(wěn)壓器時(shí)，潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有穩(wěn)壓器都以相似的頻率工作，那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的總能量就會(huì)集中在一個(gè)頻率上，當(dāng)該電路板與其他系統(tǒng)板上靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在汽車系統(tǒng)中，這一問題可能尤其麻煩，因?yàn)槠囅到y(tǒng)是密集排列的，而且常?？拷纛l、RF、CAN總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。

為此，ADI設(shè)計(jì)了一款電源方案——LT8650S，這是一款采用該公司第二代Silent Switcher 2技術(shù)的雙通道降壓型穩(wěn)壓器，在芯片上解決了幾乎所有的EMI麻煩，大大弱化對(duì)電路板布局的要求。該產(chǎn)品是一款緊湊的集成化解決方案，其執(zhí)行高頻操作，同時(shí)可提供優(yōu)良的 EMI 性能和高輸出電流。LT8650S的EMI性能可達(dá)到CISPR 25 Class 5輻射發(fā)射規(guī)格的要求，啟用擴(kuò)展頻譜模式可散播能量并進(jìn)一步改善EMI性能。

Silent Switcher 2讓開關(guān)電路“Silent”

Silent Switcher技術(shù)是過去幾年ADI在電源技術(shù)方面最大的一個(gè)創(chuàng)新，這是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，Power By Linear品牌下的產(chǎn)品在未來的電源芯片中，都會(huì)盡可能的往這個(gè)技術(shù)平臺(tái)上遷移。ADI工程團(tuán)隊(duì)在芯片的堆疊和電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上做了一些非常創(chuàng)新的突破——在DC/DC里實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電流環(huán)路的對(duì)稱排列，兩個(gè)環(huán)路產(chǎn)生的電場(chǎng)磁場(chǎng)是兩個(gè)反向的，可以相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)超低的EMI，但同時(shí)確保了占位面積和效率的優(yōu)勢(shì)。

Silent Switcher 2通過使自身對(duì)電路板布局變化不敏感而有助于解決麻煩的EMI問題，可幫助用戶在其設(shè)計(jì)的首個(gè)電路板上實(shí)現(xiàn)良好的EMI性能。下圖給出了在其標(biāo)準(zhǔn)配置中的 LT8650S演示板以及對(duì)應(yīng)的輻射EMI性能。在下圖中，把陶瓷輸入電容器從IC的近旁移至距離一英寸之外。盡管輸入配置有了巨大的變化，但是EMI性能幾乎保持不變，從而表現(xiàn)出 Silent Switcher 2顯著地降低了EMI性能對(duì)PCB布局的敏感性。

實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一種方法是在 Silent Switcher配置中把熱環(huán)路電容器集成到封裝之內(nèi)。通過利用其內(nèi)部接地平面在封裝內(nèi)部保持高頻電流，EMI 性能可令人印象深刻，并且不易受到電路板布局的影響。

汽車低EMI設(shè)計(jì)新方法論——LT8650S

LT8650S具有兩個(gè)獨(dú)立的通道，以從高達(dá)42V的輸入提供兩個(gè)單獨(dú)的輸出。這兩個(gè)通道能同時(shí)各提供高達(dá)4A的輸出電流，以及在脈沖負(fù)載應(yīng)用中提供高達(dá)6A的電流。能夠從這款采用4mm x 6mm封裝的器件提供8A的總電流。外部VC引腳允許把多個(gè)器件并聯(lián)起來，以提供更大的輸出功率。

LT8650S 支持突發(fā)模式(Burst Mode?)操作，僅需6.2?A電流即可產(chǎn)生兩個(gè)輸出。該器件還具有強(qiáng)制連續(xù)和擴(kuò)展頻譜模式?？刹捎猛獠垦a(bǔ)償以優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，或者，也可運(yùn)用內(nèi)部補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性。

實(shí)現(xiàn) LT8650S EMI性能另一種方法是控制開關(guān)邊緣。通常，這意味著減緩開關(guān)邊緣，因而付出的代價(jià)是犧牲效率，尤其是在高頻條件下。采用 LT8650S 時(shí)情況則并非如此。創(chuàng)新型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)把開關(guān)節(jié)點(diǎn)中的過沖保持在非常低的水平，即使在接近 10V/ns 的速度下也不例外，如在示波器快照中所見。

在高達(dá)3MHz頻率下，這些快速開關(guān)邊緣實(shí)現(xiàn)了高于90%的峰值效率。在500kHz至3MHz工作頻率范圍內(nèi)，效率的下降僅為幾個(gè)百分點(diǎn)，展示出低開關(guān)損耗特性。憑借LT8650S的Silent Switcher 2技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻條件下的高效率以及優(yōu)良的EMI性能。

高開關(guān)頻率開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)于保持小巧的總體解決方案尺寸是很重要。高開關(guān)頻率允許高的控制環(huán)路帶寬，從而減小了所需的輸出電容。在兩相配置中，LT8650S對(duì)于一個(gè)4A負(fù)載階躍具有<100mV的輸出電壓偏差，僅采用100?F輸出電容。隨著系統(tǒng)功率和復(fù)雜性的增加，電壓調(diào)節(jié)器將需要在高開關(guān)頻率下提供更大的輸出電流，以滿足尺寸、效率和輻射干擾要求。

本文小結(jié)

汽車工程師不斷面臨著降低電磁干擾和確保所有汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容的挑戰(zhàn)，過去我們常常困惑于因?yàn)殡娐钒宀季诌^程中有所疏忽而導(dǎo)致非常麻煩的EMC問題。像LT8650S這種采用創(chuàng)新方法消除電路布局敏感性，同時(shí)兼顧效率和小尺寸等關(guān)鍵指標(biāo)的解決方案來說，對(duì)當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)越來越快設(shè)計(jì)周期和越來越復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)將是一種必然的趨勢(shì)。