低EMI/EMC輻射的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可減輕ADAS設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)

作者 / Tony Armstrong ADI公司 電源產(chǎn)品部 產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)

摘要：本文介紹了一種帶低 EMI/EMC 輻射的開關(guān)轉(zhuǎn)換器——Silent Switcher 2 DC/DC轉(zhuǎn)換器，以減輕 工程師在設(shè)計(jì)汽車ADAS系統(tǒng)時(shí)的負(fù)擔(dān)。

引言

　　高級(jí)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(shí)現(xiàn)安全駕駛，而且如果系統(tǒng)檢測(cè)到來自周圍物體的風(fēng)險(xiǎn)，例如行為不當(dāng)?shù)男腥恕ⅡT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(dòng)態(tài)功能，例如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動(dòng)剎車、牽引力控制和夜視。因此，對(duì)當(dāng)前這個(gè)10年的后半段而言，消費(fèi)者越來越關(guān)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(qiáng)，是汽車中ADAS增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。

　　這種增長(zhǎng)伴隨著對(duì)業(yè)界的挑戰(zhàn)而來，包括價(jià)格壓力、通貨膨脹及這類系統(tǒng)的測(cè)試復(fù)雜性和難以測(cè)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(jìn)入歐洲市場(chǎng)、歐洲客戶大量采用這類系統(tǒng)就不足為奇了。不過，美國(guó)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(biāo)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(wú)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(biāo)稱電壓為9V至18V，但是由于系統(tǒng)內(nèi)的電壓瞬態(tài)，這一電壓可能高達(dá)42V，而在冷車發(fā)動(dòng)情況下可能低至3.4V。因此，這類系統(tǒng)中的任何DC/DC轉(zhuǎn)換器都必須至少能夠應(yīng)對(duì)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(jié)果，有些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(yīng)地，這類系統(tǒng)的制造商喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)應(yīng)對(duì)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(shí)現(xiàn)冷卻的散熱能力。盡管用高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V軌較常見，但是在如今的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。這種變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是，需要占板面積更小的解決方案，同時(shí)頻率保持高于AM頻段以避免潛在的干擾。

　　此外，設(shè)計(jì)師還必須確保ADAS系統(tǒng)符合汽車中各種抗噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。在汽車環(huán)境中，低熱量和高效率對(duì)有些區(qū)域很重要，在這些區(qū)域，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。另外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，因而對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有重大影響。

　　EMI輻射有兩種類型：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型輻射依靠連接產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線傳播。既然噪聲位于設(shè)計(jì)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?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常?？梢栽陂_發(fā)過程中，相對(duì)較早地確保滿足傳導(dǎo)型輻射要求。

　　然而，輻射型EMI則完全另當(dāng)別論了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一個(gè)天線，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或DC電壓，任何信號(hào)都產(chǎn)生遍布信號(hào)頻譜的噪聲。甚至經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)師仍然無(wú)法確知，輻射型EMI會(huì)有多嚴(yán)重，直到系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試才知道。而且，在設(shè)計(jì)從根本上完成之前，不能正式進(jìn)行輻射型EMI測(cè)試。

　　濾波器可以衰減某一頻率或一系列頻率上的EMI強(qiáng)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(dǎo)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(jī)構(gòu)要求執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)以確保符合EMI要求。

　　采用表面貼裝技術(shù)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(jìn)被開關(guān)穩(wěn)壓器日益提高的開關(guān)工作頻率抵消了。更高的效率、較短的最短接通和斷開時(shí)間實(shí)現(xiàn)了更快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致更高的諧波分量。開關(guān)容量、轉(zhuǎn)換時(shí)間等其他所有參數(shù)保持不變時(shí)，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就惡化6dB。寬帶EMI的表現(xiàn)就像一個(gè)一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率增大10倍，輻射就增加20dB。

　　精明的PCB設(shè)計(jì)師會(huì)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(chǔ)充足的能量所需的器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問題進(jìn)一步復(fù)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?yàn)橹C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(zhuǎn)換器

　　由于上述應(yīng)用限制，ADI公司開發(fā)了Powerby Linear? LT8645S，這是一款高輸入電壓?jiǎn)纹浇祲盒娃D(zhuǎn)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(nèi)的轎車和卡車應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用必須穩(wěn)定應(yīng)對(duì)最低輸入電壓低至3.4V的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況，以及超過60V的拋載瞬變情況。圖1所示是一個(gè)單通道設(shè)計(jì)，在5V時(shí)提供8A輸出。其同步整流拓?fù)湓?MHz開關(guān)頻率時(shí)提供高達(dá)94%的效率，而突發(fā)模式(Burst Mode?) 運(yùn)行在無(wú)負(fù)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(guān)頻率可在200kHz至2.2MHz范圍內(nèi)設(shè)定，并在整個(gè)范圍內(nèi)可同步。其獨(dú)特的Silent Switcher? 2架構(gòu)集成了內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)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(guān)邊沿以及具整體接地平面并用銅柱取代接合線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，LT8645S的設(shè)計(jì)顯著降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器相比，該器件對(duì)PCB布局的敏感性低得多。之所以能夠達(dá)到這種全新的性能水平，是因?yàn)長(zhǎng)T8645S的內(nèi)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(gè)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(nèi)部電容器相結(jié)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(shí)支持較大的接地散熱焊盤。

　　LT8645S可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)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(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，以進(jìn)一步降低EMI水平。LT8645S采用內(nèi)部頂端和底端高效率電源開關(guān)，單個(gè)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(Burst Mode)運(yùn)行在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于10mVp-p。最后，LT8645S采用小型耐熱增強(qiáng)型4mm x 6mm 32引腳LQFN封裝。

結(jié)論

　　ADAS系統(tǒng)在轎車和卡車中的激增不會(huì)很快結(jié)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(zhuǎn)換器件以避免對(duì)ADAS系統(tǒng)造成干擾并不是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。這類汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以使用ADI公司Silent Switcher 2 DC/DC轉(zhuǎn)換器提供的高性能功能。這些轉(zhuǎn)換器不僅極大地簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)師的任務(wù)，同時(shí)無(wú)需復(fù)雜的布局或設(shè)計(jì)方法，就能夠提供全部所需性能。

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