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汽車ADAS需要EMI/EMC輻射很低的開關(guān)轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時間:2017-10-13 來源:Tony Armstrong 責任編輯:wenwei

【導讀】ADAS系統(tǒng)在新型汽車中的應用越來越廣泛。找到一種不對ADAS系統(tǒng)造成干擾的電源轉(zhuǎn)換器件,能夠極大地簡化設(shè)計師的任務(wù),同時無需復雜的布局或設(shè)計方法,就可為設(shè)計師提供需要的所有性能。
 
到2020年,ADAS市場預計將達到600億美元[數(shù)據(jù)來源:Allied Market Research]。這意味著,在2014年到2020年這個時間段內(nèi),年復合增長率為22.8%。顯然,這對半導體產(chǎn)品而言,意味著巨大的機會!
 
ADAS即高級駕駛員輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems)”,在今天的很多新型汽車中都能見到。這類系統(tǒng)常常方便了安全駕駛,如果系統(tǒng)檢測到來自周圍物體的風險,例如不守規(guī)矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車輛,就會向駕駛員發(fā)出警報。此外,這類系統(tǒng)通常還會提供動態(tài)功能,例如自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動剎車、牽引力控制和夜視。因此,在當前這10年的后半段,消費者對安全的日益關(guān)注、對駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規(guī),成了汽車ADAS增長的主要驅(qū)動力。
 
這種增長的到來必然伴隨著對這個行業(yè)的挑戰(zhàn),其中包括價格壓力、通貨膨脹、測試這類系統(tǒng)的復雜性和困難。此外,歐洲是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一,這一點應該不足為奇,因此,歐洲已經(jīng)看到,ADAS正大舉進入市場,歐洲汽車行業(yè)的客戶在大量采用ADAS。不過,美國和日本汽車制造商也沒有很落后。汽車行業(yè)的最終目標是,提供無人坐在方向盤后面的自動駕駛汽車!
 
系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)
 
一般而言,ADAS系統(tǒng)中包括某種處理器,以收集來自汽車中無數(shù)傳感器的輸入數(shù)據(jù),然后處理這些數(shù)據(jù),以便能夠以容易理解的方式方便地提供給駕駛員。此外,這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電,其標稱電壓為9V至18V,不過由于系統(tǒng)中的電壓瞬態(tài)而可能高達42V,以及在冷車發(fā)動情況下可能低至3.5V。因此,很顯然的是,這類系統(tǒng)中的任何DC/DC轉(zhuǎn)換器最低限度都必須能夠應對3.5V至42V的寬輸入電壓范圍。
 
很多ADAS系統(tǒng)都是用5V和3.3V軌給各種模擬和數(shù)字IC產(chǎn)品供電,然而,通常使用的處理器I/O及內(nèi)核電壓的運行要求卻處于低于2V的范圍,而且有可能低至0.8V。此外,這類系統(tǒng)常常安裝在汽車中某一空間和散熱都受限的地方,因此限制了可用于冷卻用途的散熱器的使用。盡管人們普遍使用高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V電源軌,但是在今天的ADAS系統(tǒng)中,開關(guān)穩(wěn)壓器還必須以2MHz或更高的頻率切換,而不是過去低于500kHz的開關(guān)頻率。這種變換背后的關(guān)鍵驅(qū)動力是,需要占板面積更小的解決方案,同時保持高于AM頻段,以避免任何潛在的干擾。
 
最后,似乎設(shè)計師的任務(wù)還不夠復雜,他們還必須確保ADAS系統(tǒng)符合汽車中的各種抗噪聲標準要求。在汽車環(huán)境中,對有些區(qū)域,低熱耗散和高效率是很重要的,在這些區(qū)域,開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。此外,開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件,因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有很大的影響。
 
有兩種類型的EMI輻射:傳導型和輻射型。傳導型輻射依賴連接產(chǎn)品的導線和走線。既然這種噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器處,那么如之前已經(jīng)提到的那樣,通過良好的布局或濾波器設(shè)計,常常在開發(fā)過程相對較早的階段,就能夠確保符合傳導型輻射要求。
 
然而,輻射型輻射就完全是另外一回事了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線,每一個銅平面都是一個諧振器。除了純粹的正弦波或DC電壓,任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過了仔細設(shè)計,在系統(tǒng)經(jīng)過測試之前,電源設(shè)計師仍然從來無法確知輻射型輻射將會多嚴重。而且,在設(shè)計從根本上完成之前,無法正式進行輻射型輻射測試。
 
濾波器常常用來衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強度以降低EMI。通過增加金屬屏蔽和磁性屏蔽,可以衰減通過空間(輻射型)傳播的那部分能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器,可以控制依賴PCB走線(傳導型)的那部分能量。EMI無法完全消除,但是可以衰減到一個其他通信和數(shù)字組件可以接受的水平。此外,幾個監(jiān)管機構(gòu)也要求執(zhí)行一些標準,以確保符合EMI要求。
 
與通孔式組件相比,采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能更高。然而,這種改進的速度慢于開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)工作頻率提高的速度。開關(guān)轉(zhuǎn)換速度提高,會使效率提高、最短接通和斷開時間縮短,但是諧波分量增大了。開關(guān)頻率每增大一倍,在開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間等所有其他參數(shù)保持恒定時,EMI惡化6dB。寬帶EMI的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器,如果開關(guān)頻率提高10倍,輻射就增大20dB。
 
熟練的PCB設(shè)計師將設(shè)計很小的熱環(huán)路,并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而,在去耦組件中存儲充足能量所需的器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計要求和封裝尺寸決定了熱環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復雜的是,在典型的平面印刷電路板中,走線之間高于30MHz的磁性或變壓器型耦合將全面減弱濾波器的作用,因為諧波頻率越高,不想要的磁耦合就變得越有效。
 
具低EMI/EMC輻射的雙DC/DC轉(zhuǎn)換器
 
由于上述的應用限制,凌力爾特公司(最近已被ADI收購)開發(fā)了LT8650S,這是一款能接受高輸入電壓的雙輸出單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器,具很低的EMI/EMC輻射。其3V至42V輸入電壓范圍使該器件非常適合包括ADAS在內(nèi)的汽車應用,汽車應用必須穩(wěn)定通過最低輸入電壓低至3V的冷車發(fā)動和停-啟情況、以及超過40V的負載突降瞬態(tài)。正如在圖1中能看到的那樣,這是一款雙通道設(shè)計,由兩個高壓4A通道組成,提供低至0.8V的電壓,從而使該器件能夠驅(qū)動目前可用和電壓最低的微處理器內(nèi)核。其同步整流拓撲在2MHz開關(guān)頻率時提供高達94.4%的效率,而突發(fā)模式(Burst Mode®)運行在無負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于6.2µA(兩個通道都接通),從而使該器件非常適合始終保持接通系統(tǒng)。
 
汽車ADAS需要EMI/EMC輻射很低的開關(guān)轉(zhuǎn)換器
圖1:LT8650S原理圖─在2MHz時提供5V/5A和3.3V/4A輸出。
 
LT8650S的開關(guān)頻率可以設(shè)定在300kHz至3MHz范圍內(nèi),并可同步至這一范圍。其40ns最短接通時間允許在高壓通道以2MHz開關(guān)頻率進行16VIN至2.0VOUT降壓轉(zhuǎn)換。其獨特的Silent Switcher®2架構(gòu)使用兩個內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部BST和INTVCC電容器,以最大限度減小熱環(huán)路面積。LT8650S的設(shè)計兼具控制良好的開關(guān)邊沿和一種具整體接地平面的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并用銅柱代替了接合線,因此顯著降低了EMI/EMC輻射。參見圖2以了解輻射輸出特性。這種改進的EMI/EMC性能對電路板布局不敏感,從而簡化了設(shè)計并降低了風險,甚至在使用兩層PC板時也不例外。LT8650S在整個負載范圍內(nèi)以2MHz開關(guān)頻率切換時,能夠非常容易地滿足汽車CISPR25 Class5峰值EMI限制。擴展頻譜頻率調(diào)制也可用來進一步降低EMI水平。
 
汽車ADAS需要EMI/EMC輻射很低的開關(guān)轉(zhuǎn)換器
圖2:LT8650S的輻射EMI圖。
 
LT8650S使用內(nèi)部頂部和底部高效率電源開關(guān),單個芯片內(nèi)集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式運行在低輸出電流時保持高效率,同時保持輸出紋波低于10mVp-p。最后,LT8650S采用小型耐熱性能增強型4mm x 6mm 32引腳LGA封裝。
 
結(jié)論
 
可以毫無疑問地說,ADAS系統(tǒng)在汽車市場的滲透將不會很快結(jié)束。此外,很顯然的是,找到一種滿足所有必要的性能標準以不對ADAS系統(tǒng)造成干擾的電源轉(zhuǎn)換器件,不是一項簡單的任務(wù)。幸運的是,對這類系統(tǒng)的設(shè)計師而言,凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬ADI公司)的電源產(chǎn)品部提供了“同類最佳”的電源轉(zhuǎn)換器,這些轉(zhuǎn)換器極大地簡化了這些設(shè)計師的任務(wù),同時無需復雜的布局或設(shè)計方法,就可為設(shè)計師們提供需要的所有性能。
 
作者:Tony Armstrong,凌力爾特公司
 
 
 
 
 
 
 
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