【導讀】隨著汽車中電子系統(tǒng)數量的成倍增加，車內產生電磁干擾的風險也大幅升高了。因此，新式車輛中的電子產品常常必須符合 CISPR 25 Class 5 EMI 測試標準，該標準對傳導型和輻射型 EMI 發(fā)射做了嚴格的限制。由于其本身的性質，開關電源充斥著 EMI，并在整個汽車中“彌漫擴散”。如今，低 EMI 與小的解決方案尺寸、高效率、散熱能力、堅固性和易用性一起，成為了對汽車電源的一項關鍵要求。Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器系列可滿足汽車制造商嚴格的 EMI 要求，同時擁有緊湊的尺寸以及集成化 MOSFET 和高電流能力。
已獲專利的* Silent Switcher 技術在高頻、高功率電源中實現(xiàn)了令人印象深刻的 EMI 性能。作為這項技術的下一代，Silent Switcher 2 簡化了電路板設計和制造，其所采取的方法是把熱環(huán)路電容器納入到封裝中，因此 PCB 布局對于 EMI 的影響極小。
Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SOC 供電
當今 (及未來) 車輛上所使用的片內系統(tǒng) (SOC) 器件與前幾代同類產品幾乎沒有什么相似之處。信息娛樂系統(tǒng)和車輛安全系統(tǒng)之特性和功能的指數性增加迫切要求 SOC 處理數據的速度比過去提高幾個數量級，包括以極少的延遲處理來自多個信號源的高分辨率視頻數據。例如，倘若汽車的前置攝像頭“看到”了某種危險，則汽車必須立刻做出響應，要么提醒駕駛者注意，要么剎車制動。為了滿足最新的計算需求，SOC 在其封裝中集成了越來越多的高耗電器件，可是，將怎樣提供這些所需的功率呢? 在汽車中，功率輸送方案必須具有高效、緊湊和低 EMI 的特點。SOC 增加的需求使得它們更難以滿足。
比如，一個 R-Car H3 SOC 包含 8 個 ARM 內核、DSP、視頻和圖形處理器、以及輔助的支持器件。所有這些組件均需要可靠的電源，包括三個用于外設和輔助組件的電源軌 (5V、3.3V 和 1.8V)、兩個用于 DDR3 和 LPDDR4 的電源軌 (1.2V 和 1.1V)、和另一個用于內核的電源軌 (0.8V)。
為了支持 SOC 所需的電流水平，具有外部 MOSFET 的開關電源控制器是優(yōu)先于單片式電源器件的傳統(tǒng)選擇方案。單片式器件因其內部 MOSFET 最大限度縮減了成本和解決方案尺寸而引人注目，但是它們在傳統(tǒng)上受限的電流能力和存在的熱問題則通常限制了其使用。LT8650S 和一個新的單片式降壓型 Silent Swicther 穩(wěn)壓器系列擁有支持 SOC 的電流能力和熱管理特性。
由于具備高效率和熱管理特性，因此 Power by Linear™ LT®8650S、LT8609S 和 LT8645S 的輸出電流能力比典型單片式穩(wěn)壓器高得多。3V 至 42V (對于 LT8645S 則為 65V) 的輸入電壓范圍涵蓋了汽車電池的各種電量條件。這些單片式 IC 具有集成的 MOSFET，并能以高于 2MHz 的頻率運行，因而縮減了解決方案尺寸和成本，同時避開了 AM 頻段。Silent Switcher 穩(wěn)壓器專為最大限度降低 EMI 而設計，從而使其成為適合 SOC 的一種熱門選擇。
雙輸出：5V/4A 和 1V/4A
圖 1 示出了一款雙輸出 (2MHz 5V/4A 和 1V/4A) 解決方案，其采用了 LT8650S 的兩個通道。這款電路可容易地進行修改以適合其他的輸出組合，包括諸如 3.3V 和 1.8V 或 3.3V 和 1.1V 等，以利用 LT8650S 的寬輸入范圍。LT8650S 還可用作第一級轉換器，后隨用于提供更多輸出的各種較低功率第二級開關穩(wěn)壓器或 LDO 穩(wěn)壓器。
圖 1：采用 LT8650S 兩個通道的雙輸出 (5V/4A 和 1.0V/4A) 解決方案
LT8650S 運用了可消除 EMI 的 Silent Switcher 2 設計，具有集成的熱環(huán)路電容器，旨在最大限度減小噪聲天線尺寸。結合集成化 MOSFET，這實現(xiàn)了異常優(yōu)越的 EMI 性能。
圖 2：適合 SOC 應用的 4 相、3.3V/16A、2MHz 解決方案
適用于 SOC 的 16A 解決方案
圖 2 示出了一款用于提供 SOC 電源的 3.3V/16A、四相解決方案。圖 3 示出了輻射 EMI 測試結果。
圖 3：圖 2 所示解決方案的輻射 EMI 測試結果
另外，汽車 SOC 還對電源負載瞬態(tài)響應有著極高的要求。外設電源的負載電流轉換速率達到 100A/µs (內核電源則更高) 的情況并不少見。無論負載的變化情況如何，電源都必須最大限度減小輸出電壓瞬變?？焖匍_關頻率 (比如 LT8650S 系列能達到 2MHz) 有助于加快瞬變恢復的速度。在采用正確環(huán)路補償的情況下，較快的開關頻率對應于較快的動態(tài)響應。圖 2 給出了適合的組件值。在電路板布局中，應盡量地減小從電路的輸出電容器至負載的走線電感，這一點也是至關緊要的。圖 4 給出了圖 2 所示解決方案的瞬態(tài)測試結果。
圖 4：圖 2 所示解決方案的負載瞬態(tài)響應
針對較低功率應用的高效率、緊湊型解決方案
除了諸如 SOC 和 CPU 等低電壓、高電流應用之外，汽車和其他車輛還需要用于眾多低電流負載的電源，例如：儀表板、平視顯示器、車聯(lián)網 (V2X)、傳感器、USB 充電器，等等。
由于可用空間和電池電量受限，因此對于電源轉換器來說，高效率和小解決方案尺寸是最重要的要求。低噪聲是前提條件。LT8609S 是一款針對所有這些應用的合適解決方案。該器件設計了針對汽車電池條件的 3V 至 42V 輸入電壓范圍。集成的 MOSFET、內置的補償電路和 2MHz 的工作頻率最大限度減小了 LT8609S 解決方案尺寸。在 LT8609S 中運用了 Silent Switcher 2 技術和集成型熱環(huán)路電容器，以盡量地降低噪聲電平并提供優(yōu)異的效率指標以及卓越的 EMI 性能。圖 5 示出了采用 LT8609S 的 2MHz、5V/2A 應用。
圖 5：采用 LT8609S 的 2MHz 5V/2A 應用
圖 6 示出了一款安置在兩層電路板上的完整 LT8609S 穩(wěn)壓器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和內置補償電路把組件數目減少為器件本身和少量的外部組件。再加上高速開關頻率，該典型應用的核心解決方案總體尺寸僅為 11.5mm x 12.3mm。
圖 6：LT8609S 兩層電路板的小解決方案尺寸
降低解決方案成本的一種方法是盡量減少所需的 PCB 層數，但是這需要以犧牲性能為代價是可以預料到的。例如，就所實現(xiàn)的 EMI 性能而言，兩層電路板解決方案與四層電路板解決方案預計是不等同的。圖 7 中的 EMI 測試結果顯示：采用兩層電路板的 LT8609S 可滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 輻射限制要求。對采用兩層和四層電路板的等效解決方案之 EMI 性能進行了比較。
圖 7：(a) 采用一塊兩層電路板的 LT8609S 之平均輻射 EMI 測試結果顯示了在啟用擴展頻譜頻率調制功能時以進一步降低 EMI 的情況。(b) 裝有 LT8609S 的兩層和四層電路板的峰值輻射 EMI 性能比較。
一般來說，Silent Switcher 2 技術可在采用兩層甚至單層電路板的情況下獲得極佳的 EMI 性能，因而能夠極大地降低制造成本。
當使用的電路板層數較少時，熱性能通常是一個讓人擔心的問題，但是在采用 LT8609S 時情況則不是這樣。Silent Switcher 2 技術的低噪聲電平和高效率具有的優(yōu)勢是開關轉換產生的功率損耗很低。這與增強型散熱封裝相結合，使 LT8609S 展現(xiàn)出驕人的熱性能。圖 8 示出了兩層電路板和四層電路板之間的熱性能對比。由圖可見，對于 12V 電池輸入，LT8609S 在滿負載條件下工作時的溫升差異小于 11°C。
圖 8：裝有 LT8609S 的兩層和四層電路板的熱性能比較。
面向 48V 汽車系統(tǒng)的 Silent Switcher 2 解決方案
傳統(tǒng)車輛采用 12V 電池以為點火、照明、音頻和信息娛樂電子設備、安全功能裝置及其他系統(tǒng)供電。不幸的是，12V 汽車系統(tǒng)的供電能力被限制在 3kW，而數量龐大的汽車電子產品對這道“界限”發(fā)起的挑戰(zhàn)日益增多。
這個問題，再加上電動汽車和自動駕駛系統(tǒng)的出現(xiàn)，對功率輸送規(guī)范提出了挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)隨之將轉向 48V 電池電源作為一種解決方案。與 12V 電氣系統(tǒng)相比，48V 電氣系統(tǒng)在功率需求很高的情況下可降低配電損耗，從而改善整體效率。
在 48V 系統(tǒng)中，對 DC/DC 轉換器提出的挑戰(zhàn)是必需保持與 12V 系統(tǒng)相似的轉換效率、尺寸和低 EMI，而此時，高降壓比使得這些規(guī)格指標的滿足更加困難。由采用 48V 電池電源產生的好處不應在 DC/DC 轉換過程中白白丟失。能夠以 2MHz 頻率運行以避免干擾 AM 頻段的單片式開關穩(wěn)壓器非常適合 48V 汽車電氣系統(tǒng)，只要它們能高效地做到這一點就行。
能夠接受 48V 標稱輸入的單片式降壓型穩(wěn)壓器數量有限，它們大多支持小于 5A 的負載電流。LT8645S 單片式降壓型穩(wěn)壓器可依靠高達 65V 的輸入電壓支持 8A 負載。其 40ns 的最短接通時間 (TON) 和快速干凈的開關邊沿 (圖 9) 可實現(xiàn)高開關頻率和高效率 (在 2MHz 時高達 94%)。
圖 9：單片式 Silent Switcher 器件采用 MOSFET 驅動器設計，可產生快速、干凈的開關邊沿。這實現(xiàn)了高效率，即使在高頻操作情況下也不例外。另外，創(chuàng)新的驅動器還最大限度減少了過沖，并抑制了振鈴，而在采用其他驅動器時這些將成為產生 EMI 的一個來源。
集成化補償電路和旁路電容器最大限度減小了總體解決方案尺寸，并簡化了低 EMI 布局。利用一個簡單的鐵氧體磁珠濾波器，LT8645S 能夠通過 CISPR 25 Class 5 EMI 規(guī)格限制，并留有裕度。
圖 10 示出了采用 LT8645S 的超低 EMI 2MHz、5V/8A 應用。圖 11 示出了 LT8645S 的效率，圖 12 顯示了 LT8645S 解決方案尺寸。
圖 10：采用 LT8645S 的超低 EMI 5V/8A 應用
圖 11：用于該超低 EMI 解決方案時的 LT8645S 效率
圖 12：LT8645S 演示電路的小解決方案尺寸
LT8645S 擁有支持高降壓比的非凡能力，甚至當工作在高開關頻率時也是如此，這得益于其 40ns 的最短接通時間。例如，LT8645S 能在 1MHz 開關頻率下從一個高達 30V 的輸入產生 1.8V 輸出。如果跳過某些開關周期是可以接受的，那么輸入可升高至 65V 的絕對最大額定值。
當輸出低于 3.1V 時，LT8645S 的 BIAS 引腳應連接至一個高于 3.1V 的外部電源以改善效率。如果沒有這樣的電源可用，則將 BIAS 引腳連接至 GND。圖 13 示出了一款可在 65V 輸入瞬變情況下正常工作的 1MHz 1.8V/8A 解決方案。
圖 13：采用 LT8645S 的 1MHz 1.8V/8A 應用電路能承受高達 65V 的輸入瞬變
除了低 EMI、可在高頻條件下實現(xiàn)高效率、并具有寬輸入電壓范圍之外，LT8645S 的特點還包括超低靜態(tài)電流和低壓差。在閑置狀態(tài)下，超低的靜態(tài)電流能夠延長電池運行時間。低壓差特性對于在冷車發(fā)動情況下持續(xù)運作是至關緊要的。
結論
Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器可滿足汽車環(huán)境苛刻的 EMI 輻射要求。請見表 1 羅列的 Silent Switcher 器件，其中包括本文介紹的幾款產品。
在本文著重介紹的器件中，LT8650S 雙通道同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SOC 應用提供了寬輸入電壓范圍、優(yōu)異的 EMI 性能和小的解決方案尺寸，同時還可提供多個高電流輸出和快速瞬態(tài)響應。LT8609S 同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器提供了寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、卓越的 EMI 性能、小的解決方案尺寸和高效率，該器件能夠容易地滿足當今汽車中無處不在的電源系統(tǒng)之要求。LT8645S (輸入至 65V) 可構成適合 48V 汽車系統(tǒng)的緊湊型低 EMI 解決方案。
表 1。低 EMI Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 (“S”)同步降壓型穩(wěn)壓器。對在本文中描述的器件做了突出顯示。
注釋
* Silent Switcher 是獲專利授權的技術，專利號為 8823345。
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