低 EMI/EMC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化 ADAS 設(shè)計(jì)

背景知識(shí)

ADAS是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫，它在當(dāng)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(dāng)檢測(cè)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(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)可以向駕駛員提供警報(bào)!此外，這些系統(tǒng)通常提供自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道偏離警告、駕駛員困倦監(jiān)控、自動(dòng)制動(dòng)、牽引控制和夜視等動(dòng)態(tài)特性。因此，消費(fèi)者對(duì)安全性日益增強(qiáng)的重視、對(duì)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(shí)期汽車ADAS的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。

這種增長(zhǎng)對(duì)行業(yè)來說并不是沒有挑戰(zhàn)，包括價(jià)格壓力、通貨膨脹、復(fù)雜性和系統(tǒng)測(cè)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(chǎng)之一，這點(diǎn)不足為奇，ADAS的市場(chǎng)滲透率和客戶接受度均有重大突破。不過，美國(guó)和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)需人類在方向盤后面干預(yù)的自動(dòng)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(jìn)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(biāo)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(dá)42 V，而在冷啟動(dòng)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(shí)在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(yīng)地，此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器來同時(shí)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(huì)給用于散熱目的的散熱器帶來限制。雖然采用高壓DC-DC轉(zhuǎn)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(guān)穩(wěn)壓器也必須達(dá)到2 MHz或更高的開關(guān)頻率，而非以前的500 kHz以下開關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是需要更小尺寸的解決方案，同時(shí)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(shè)計(jì)人員的任務(wù)還不夠復(fù)雜一樣，他們還必須確保ADAS符合車內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車環(huán)境中，開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個(gè)有源部件，因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發(fā)射有兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)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(shè)計(jì)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?yàn)V波器設(shè)計(jì)，通?？梢韵鄬?duì)容易地保證符合傳導(dǎo)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(huì)輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個(gè)銅層都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會(huì)在整個(gè)信號(hào)頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前，電源設(shè)計(jì)人員也并不真正知道輻射發(fā)射會(huì)有多糟糕——而輻射發(fā)射測(cè)試只有在設(shè)計(jì)基本完成之后才能正式進(jìn)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(hào)強(qiáng)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(dǎo))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(wú)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(jī)構(gòu)通過實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)擁有比通孔器件更好的性能。但是，這種改善跟不上開關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開/關(guān)時(shí)間和更快的開關(guān)躍遷，導(dǎo)致諧波含量更高。所有其他參數(shù)(如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間)保持不變時(shí)，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會(huì)惡化6 dB。如果開關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI就會(huì)像輻射增加20 dB的一階高通濾波器一樣。

有經(jīng)驗(yàn)的PCB設(shè)計(jì)人員會(huì)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(jié)構(gòu)、散熱設(shè)計(jì)要求以及在去耦元件中儲(chǔ)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(fù)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(huì)削弱所有濾波器的作用，因?yàn)橹C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(zhuǎn)換器

鑒于上文所述的應(yīng)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(zhuǎn)換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V，因而既適合汽車應(yīng)用，也適合卡車應(yīng)用，包括ADAS，后者必須勝任冷啟動(dòng)和啟停場(chǎng)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(shè)計(jì)，提供5 V、8 A輸出。開關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，其同步整流拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)94%的效率，而在空載待機(jī)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(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程，并且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨(dú)特的Silent Switcher® 2架構(gòu)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(jié)合嚴(yán)格受控的開關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用銅柱代替鍵合線，LT8645S的設(shè)計(jì)大大降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器相比，它對(duì)PCB布局的敏感度要低得多。這是因?yàn)?，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(dá)到新的水平。它仍然需要兩個(gè)外部輸入電容，但不再嚴(yán)格要求把這些電容放在盡可能靠近輸入引腳的位置。結(jié)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(shí)支持實(shí)現(xiàn)大型接地焊盤。這種層壓式QFN (LQFN)封裝比標(biāo)準(zhǔn)QFN更柔韌且更靈活，其焊點(diǎn)可靠性在板級(jí)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(gè)負(fù)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(kuò)頻頻率調(diào)制進(jìn)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(guān)，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(gè)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(shí)使輸出紋波低于10 mV p-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強(qiáng)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(jié)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(chǎng)中的推廣不會(huì)很快結(jié)束。同樣清楚的是，找到合適的功率轉(zhuǎn)換器件以滿足所有必要的性能指標(biāo)，從而不干擾ADAS，不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。幸運(yùn)的是，此類汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以獲得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的強(qiáng)大性能和能力。這些器件不僅大大簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)人員的工作，同時(shí)還提供其所需要的全部性能，而不要求復(fù)雜的布局或設(shè)計(jì)技術(shù)。