低EMI/EMC輻射的開關轉換器可減輕ADAS設計負擔

作者 / Tony Armstrong ADI公司 電源產品部 產品市場總監(jiān)

摘要：本文介紹了一種帶低 EMI/EMC 輻射的開關轉換器——Silent Switcher 2 DC/DC轉換器，以減輕 工程師在設計汽車ADAS系統(tǒng)時的負擔。

引言

　　高級駕駛員輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)在如今很多新型轎車和卡車中已經(jīng)比較常見。這類系統(tǒng)通常更容易實現(xiàn)安全駕駛，而且如果系統(tǒng)檢測到來自周圍物體的風險，例如行為不當?shù)男腥?、騎行者甚至其他行駛方向不安全的車輛等，還能夠提醒駕駛員。此外，這類系統(tǒng)一般提供動態(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，對當前這個10年的后半段而言，消費者越來越關注安全問題、提高駕駛舒適度的需求以及政府安全監(jiān)管的日益加強，是汽車中ADAS增長的主要驅動因素。

　　這種增長伴隨著對業(yè)界的挑戰(zhàn)而來，包括價格壓力、通貨膨脹及這類系統(tǒng)的測試復雜性和難以測試。此外，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車行業(yè)之一，因此，ADAS大舉進入歐洲市場、歐洲客戶大量采用這類系統(tǒng)就不足為奇了。不過，美國和日本的汽車制造商并未落后很多。汽車行業(yè)的終極目標是提供自主駕駛汽車。

系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

　　一般而言，ADAS系統(tǒng)采用某種處理器來收集汽車中無數(shù)傳感器提供的所有輸入信息，然后處理這些信息，以便能夠方便地、以駕駛員非常容易理解的方式將信息呈現(xiàn)給駕駛員。此外，這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電，汽車中主電池的標稱電壓為9V至18V，但是由于系統(tǒng)內的電壓瞬態(tài)，這一電壓可能高達42V，而在冷車發(fā)動情況下可能低至3.4V。因此，這類系統(tǒng)中的任何DC/DC轉換器都必須至少能夠應對3.4V至42V的寬輸入電壓范圍。此外，很多雙電池系統(tǒng)，例如卡車中常見的那類雙電池系統(tǒng)，甚至需要更寬的輸入范圍，因此將電壓范圍的上限推高至65V。結果，有些ADAS制造商將其系統(tǒng)設計為可涵蓋3.4~65V輸入電壓范圍，以便其系統(tǒng)既能夠用在轎車中，也能夠用在卡車中，同時在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟性。

　　很多ADAS系統(tǒng)用5V和3.3V軌為各種模擬和數(shù)字IC組件供電，相應地，這類系統(tǒng)的制造商喜歡使用單個轉換器同時應對單電池和雙電池配置。此外，這類系統(tǒng)通常安裝在車輛的某一部分上，而汽車在空間和熱量方面都受到限制，因此限制了實現(xiàn)冷卻的散熱能力。盡管用高壓DC/DC轉換器直接從電池產生5V和3.3V軌較常見，但是在如今的ADAS系統(tǒng)中，開關穩(wěn)壓器還必須以2MHz或更高的頻率切換，而不是過去低于500kHz的開關頻率。這種變化背后的關鍵驅動力是，需要占板面積更小的解決方案，同時頻率保持高于AM頻段以避免潛在的干擾。

　　此外，設計師還必須確保ADAS系統(tǒng)符合汽車中各種抗噪聲標準的要求。在汽車環(huán)境中，低熱量和高效率對有些區(qū)域很重要，在這些區(qū)域，開關穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。另外，開關穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因而對整個轉換器電路的EMI性能有重大影響。

　　EMI輻射有兩種類型：傳導型和輻射型。傳導型輻射依靠連接產品的導線和走線傳播。既然噪聲位于設計中特定的端子或連接器處，那么正如已經(jīng)提到的那樣，采用良好的布局或濾波器設計，常?？梢栽陂_發(fā)過程中，相對較早地確保滿足傳導型輻射要求。

　　然而，輻射型EMI則完全另當別論了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場。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。除了純正弦波或DC電壓，任何信號都產生遍布信號頻譜的噪聲。甚至經(jīng)過仔細設計，電源設計師仍然無法確知，輻射型EMI會有多嚴重，直到系統(tǒng)經(jīng)過測試才知道。而且，在設計從根本上完成之前，不能正式進行輻射型EMI測試。

　　濾波器可以衰減某一頻率或一系列頻率上的EMI強度，因此常常用來降低EMI。增加金屬和磁屏蔽，可以衰減一部分通過空間傳播的(輻射型)EMI能量。依靠PCB走線傳播的部分(傳導型)可以通過增加鐵氧體珠和其他濾波器來控制。EMI不可能消除，但是可以衰減至其他通信和數(shù)字組件可接受的水平。另外，幾家監(jiān)管機構要求執(zhí)行一些標準以確保符合EMI要求。

　　采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件之性能比通孔式組件高。不過，這種改進被開關穩(wěn)壓器日益提高的開關工作頻率抵消了。更高的效率、較短的最短接通和斷開時間實現(xiàn)了更快速的開關轉換，因此導致更高的諧波分量。開關容量、轉換時間等其他所有參數(shù)保持不變時，開關頻率每增加一倍，EMI就惡化6dB。寬帶EMI的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器，如果開關頻率增大10倍，輻射就增加20dB。

　　精明的PCB設計師會使熱環(huán)路很小，并使屏蔽接地層盡可能靠近有源層。然而，去耦組件存儲充足的能量所需的器件引腳布局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問題進一步復雜化的是，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減少所有濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就越有影響力。

具低EMI輻射的高壓DC/DC轉換器

　　由于上述應用限制，ADI公司開發(fā)了Powerby Linear? LT8645S，這是一款高輸入電壓單片同步降壓型轉換器，而且其具有低EMI輻射。3.4V至65V輸入電壓范圍使該器件非常適合包括ADAS在內的轎車和卡車應用，因為這類應用必須穩(wěn)定應對最低輸入電壓低至3.4V的冷車發(fā)動和停-啟情況，以及超過60V的拋載瞬變情況。圖1所示是一個單通道設計，在5V時提供8A輸出。其同步整流拓撲在2MHz開關頻率時提供高達94%的效率，而突發(fā)模式(Burst Mode?) 運行在無負載備用情況下保持靜態(tài)電流低于2.5μA，因此該器件非常適合始終保持接通系統(tǒng)。

　　LT8645S的開關頻率可在200kHz至2.2MHz范圍內設定，并在整個范圍內可同步。其獨特的Silent Switcher? 2架構集成了內部輸入電容器以及內部BST和INTVCC電容器，以減小解決方案占板面積。再加上得到良好控制的開關邊沿以及具整體接地平面并用銅柱取代接合線的內部結構，LT8645S的設計顯著降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設計在任何印刷電路板(PCB)上都能夠提供可靠的EMI性能，包括在雙層PCB。而且與其他可比較轉換器相比，該器件對PCB布局的敏感性低得多。之所以能夠達到這種全新的性能水平，是因為LT8645S的內部有雙輸入、BST和INTVCC電容器，這些電容器最大限度減小了熱環(huán)路面積。該器件仍然需要兩個外部輸入電容器，但是盡可能靠近輸入引腳放置這一要求卻極大地放寬了。與最大限度減小熱環(huán)路面積的內部電容器相結合，BT襯底集成的接地平面顯著改善了EMI性能。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的布局，同時支持較大的接地散熱焊盤。

　　LT8645S可在整個負載范圍內非常容易地滿足汽車CISPR25、Class 5 EMI限制(參見圖2)。該器件還提供擴展頻譜頻率調制，以進一步降低EMI水平。LT8645S采用內部頂端和底端高效率電源開關，單個芯片內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(Burst Mode)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，LT8645S采用小型耐熱增強型4mm x 6mm 32引腳LQFN封裝。

結論

　　ADAS系統(tǒng)在轎車和卡車中的激增不會很快結束。另外，也很顯然的是，要找到合適的、滿足所有必要性能要求的電源轉換器件以避免對ADAS系統(tǒng)造成干擾并不是個簡單的任務。這類汽車系統(tǒng)的設計師現(xiàn)在可以使用ADI公司Silent Switcher 2 DC/DC轉換器提供的高性能功能。這些轉換器不僅極大地簡化了電源設計師的任務，同時無需復雜的布局或設計方法，就能夠提供全部所需性能。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第12期第34頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。