低EMI/EMC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化ADAS設(shè)計(jì)
2021-03-16
作者：ADI公司TonyArmstrong
背景知識(shí)
ADAS是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫(xiě)，它在當(dāng)今許多新型汽車(chē)和卡車(chē)中很常見(jiàn)。此類(lèi)系統(tǒng)通常有助于安全駕駛；當(dāng)檢測(cè)到周?chē)矬w（例如不遵守交通規(guī)則的行人、騎車(chē)人，甚至有其他車(chē)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(chē)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(lái)十年后半時(shí)期汽車(chē)ADAS的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。
這種增長(zhǎng)對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)并不是沒(méi)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(chē)行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車(chē)市場(chǎng)之一，這點(diǎn)不足為奇，ADAS的市場(chǎng)滲透率和客戶(hù)接受度均有重大突破。不過(guò)，美國(guó)和日本汽車(chē)制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)需人類(lèi)在方向盤(pán)后面干預(yù)的自動(dòng)駕駛！
系統(tǒng)難題
一般來(lái)說(shuō)，ADAS集成了一些微處理器來(lái)收集車(chē)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(chē)輛主電池直接供電，其標(biāo)稱(chēng)電壓為9V至18V，但由于系統(tǒng)內(nèi)部的電壓瞬變，電壓可能高達(dá)42V，而在冷啟動(dòng)期間，電壓可能低至3.4V。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3.4V至42V的寬輸入電壓范圍。另外，許多雙電池系統(tǒng)（例如卡車(chē)中常見(jiàn)的雙電池系統(tǒng)）需要更寬的輸入范圍，上限推高至65V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為覆蓋3.4V至65V的輸入范圍，使其可用于汽車(chē)或卡車(chē)中，同時(shí)在制造過(guò)程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)的好處。
大部分ADAS使用5V和3.3V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC器件供電。相應(yīng)地，此類(lèi)系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)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(chē)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(lái)限制。雖然采用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V電源軌是司空見(jiàn)慣的，但在如今的ADAS中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也必須達(dá)到2MHz或更高的開(kāi)關(guān)頻率，而非以前的500kHz以下開(kāi)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(kāi)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(chē)內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車(chē)環(huán)境中，開(kāi)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(xiàn)性穩(wěn)壓器。而且，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線(xiàn)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(lèi)：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射位于連接到產(chǎn)品的電線(xiàn)和走線(xiàn)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(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)，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(xiàn)都是一根天線(xiàn)，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。
圖1.提供5V、8A、2MHz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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開(kāi)/關(guān)時(shí)間和更快的開(kāi)關(guān)躍遷，導(dǎo)致諧波含量更高。所有其他參數(shù)（如開(kāi)關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間）保持不變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會(huì)惡化6dB。如果開(kāi)關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI就會(huì)像輻射增加20dB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(xiàn)之間高于30MHz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PowerbyLinear?部門(mén)開(kāi)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3.4V至65V，因而既適合汽車(chē)應(yīng)用，也適合卡車(chē)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3.4V，電源切斷瞬變超過(guò)60V。如圖1所示，該器件采用單通道設(shè)計(jì)，提供5V、8A輸出。開(kāi)關(guān)頻率為2MHz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（BurstMode?）保持靜態(tài)電流低于2.5μA，因此非常適合始終開(kāi)啟的系統(tǒng)使用。
在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，LT8645S可以輕松符合汽車(chē)CISPR25、Class5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(kāi)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10mVp-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4mm×6mm、32引腳LQFN封裝。
背景知識(shí)
ADAS是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫(xiě)，它在當(dāng)今許多新型汽車(chē)和卡車(chē)中很常見(jiàn)。此類(lèi)系統(tǒng)通常有助于安全駕駛；當(dāng)檢測(cè)到周?chē)矬w（例如不遵守交通規(guī)則的行人、騎車(chē)人，甚至有其他車(chē)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(chē)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(lái)十年后半時(shí)期汽車(chē)ADAS的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。
這種增長(zhǎng)對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)并不是沒(méi)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(chē)行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車(chē)市場(chǎng)之一，這點(diǎn)不足為奇，ADAS的市場(chǎng)滲透率和客戶(hù)接受度均有重大突破。不過(guò)，美國(guó)和日本汽車(chē)制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)需人類(lèi)在方向盤(pán)后面干預(yù)的自動(dòng)駕駛！
系統(tǒng)難題
一般來(lái)說(shuō)，ADAS集成了一些微處理器來(lái)收集車(chē)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(chē)輛主電池直接供電，其標(biāo)稱(chēng)電壓為9V至18V，但由于系統(tǒng)內(nèi)部的電壓瞬變，電壓可能高達(dá)42V，而在冷啟動(dòng)期間，電壓可能低至3.4V。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3.4V至42V的寬輸入電壓范圍。另外，許多雙電池系統(tǒng)（例如卡車(chē)中常見(jiàn)的雙電池系統(tǒng)）需要更寬的輸入范圍，上限推高至65V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為覆蓋3.4V至65V的輸入范圍，使其可用于汽車(chē)或卡車(chē)中，同時(shí)在制造過(guò)程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)的好處。
大部分ADAS使用5V和3.3V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC器件供電。相應(yīng)地，此類(lèi)系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)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(chē)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(lái)限制。雖然采用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V電源軌是司空見(jiàn)慣的，但在如今的ADAS中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也必須達(dá)到2MHz或更高的開(kāi)關(guān)頻率，而非以前的500kHz以下開(kāi)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(kāi)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(chē)內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車(chē)環(huán)境中，開(kāi)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(xiàn)性穩(wěn)壓器。而且，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線(xiàn)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(lèi)：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射位于連接到產(chǎn)品的電線(xiàn)和走線(xiàn)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(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)，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(xiàn)都是一根天線(xiàn)，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(lái)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(guò)空間傳播（輻射）的這部分能量可通過(guò)添加金屬和磁屏蔽來(lái)衰減。位于PCB走線(xiàn)（傳導(dǎo)）的能量部分可通過(guò)添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)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(guò)實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保產(chǎn)品合規(guī)。
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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開(kāi)/關(guān)時(shí)間和更快的開(kāi)關(guān)躍遷，導(dǎo)致諧波含量更高。所有其他參數(shù)（如開(kāi)關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間）保持不變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會(huì)惡化6dB。如果開(kāi)關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI就會(huì)像輻射增加20dB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(xiàn)之間高于30MHz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PowerbyLinear?部門(mén)開(kāi)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3.4V至65V，因而既適合汽車(chē)應(yīng)用，也適合卡車(chē)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3.4V，電源切斷瞬變超過(guò)60V。如圖1所示，該器件采用單通道設(shè)計(jì)，提供5V、8A輸出。開(kāi)關(guān)頻率為2MHz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（BurstMode?）保持靜態(tài)電流低于2.5μA，因此非常適合始終開(kāi)啟的系統(tǒng)使用。
在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，LT8645S可以輕松符合汽車(chē)CISPR25、Class5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(kāi)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10mVp-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強(qiáng)型4mm×6mm、32引腳LQFN封裝。
圖2.LT8640S輻射EMI性能圖
結(jié)論
ADAS在汽車(chē)和卡車(chē)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(mǎn)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(lèi)汽車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以獲得ADI公司SilentSwitcher2DC-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)。
轉(zhuǎn)載于電子發(fā)燒友-來(lái)源：ADI公司?作者：Tony Armstrong
