低EMI/EMC輻射開關(guān)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化了ADAS設(shè)計(jì)

ADAS是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的首字母縮寫，在當(dāng)今許多新汽車和卡車中都很常見。這些系統(tǒng)通常有助于安全駕駛，如果系統(tǒng)檢測(cè)到周圍物體的風(fēng)險(xiǎn)，例如錯(cuò)誤的行人、騎自行車的人，甚至是不安全軌道上的其他車輛，可以為駕駛員提供警報(bào)！此外，這些系統(tǒng)通常提供動(dòng)態(tài)功能，如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道偏離警告、駕駛員睡意監(jiān)控、自動(dòng)制動(dòng)、牽引力控制和夜視。因此，消費(fèi)者對(duì)安全性的日益關(guān)注、對(duì)駕駛舒適性的需求以及政府安全法規(guī)的持續(xù)增加是本十年后半期汽車ADAS的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。

這種增長(zhǎng)對(duì)行業(yè)來(lái)說并非沒有挑戰(zhàn)，包括定價(jià)壓力、通貨膨脹、復(fù)雜性和測(cè)試這些系統(tǒng)的難度。此外，毫不奇怪，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車市場(chǎng)之一，因此，它已經(jīng)看到了客戶對(duì)ADAS的主要市場(chǎng)滲透和采用。盡管如此，美國(guó)和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是一臺(tái)自動(dòng)駕駛機(jī)器，不需要有人在方向盤后面！

系統(tǒng)挑戰(zhàn)

一般來(lái)說，ADAS集成了某種微處理器，以收集來(lái)自車輛內(nèi)眾多傳感器的所有輸入，然后對(duì)其進(jìn)行處理，以便能夠以易于理解的方式輕松呈現(xiàn)給駕駛員。此外，這些系統(tǒng)通常直接由車輛的主電池供電，汽車中的標(biāo)稱電壓為9 V至18 V，但由于系統(tǒng)內(nèi)的電壓瞬變，可能高達(dá)42 V，在冷啟動(dòng)條件下低至3.4 V。因此，這些系統(tǒng)中的任何DC-DC轉(zhuǎn)換器都必須能夠處理至少3.4 V至42 V的寬輸入電壓范圍。此外，許多雙電池系統(tǒng)（例如卡車中常見的雙電池系統(tǒng)）需要更寬的輸入范圍，將上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為覆蓋3.4 V至65 V輸入范圍，以便可用于汽車或卡車;同時(shí)在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

許多ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC內(nèi)容供電;相應(yīng)地，此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器來(lái)同時(shí)處理單電池和雙電池配置。此外，該系統(tǒng)通常安裝在車輛空間和熱受限的部件中，從而限制了可用于冷卻目的的散熱器。雖然使用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5 V和3.3 V電源軌是司空見慣的，但在當(dāng)今的ADAS中，開關(guān)穩(wěn)壓器也必須以2 MHz或更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，而不是低于500 kHz的歷史開關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是需要更小的解決方案尺寸，同時(shí)還要保持在AM頻段以上，以避免任何潛在的干擾。

此外，如果設(shè)計(jì)人員的任務(wù)還不夠復(fù)雜，他們還必須確保ADAS符合車輛內(nèi)的各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車環(huán)境中，開關(guān)穩(wěn)壓器正在重視低散熱和效率的領(lǐng)域取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個(gè)有源元件，因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有重大影響。

EMI發(fā)射有兩種類型：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)輻射依賴于連接到產(chǎn)品的電線和走線。由于噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器，因此通過良好的布局或濾波器設(shè)計(jì)，通常可以在開發(fā)過程的相對(duì)較早的階段確保符合傳導(dǎo)輻射要求。

然而，輻射發(fā)射完全是另一回事。電路板上承載電流的所有東西都會(huì)輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是天線，每個(gè)銅平面都是諧振器。除純正弦波或直流電壓外，任何東西都會(huì)在整個(gè)信號(hào)頻譜中產(chǎn)生噪聲。即使經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)測(cè)試之前也永遠(yuǎn)不會(huì)真正知道輻射發(fā)射會(huì)有多糟糕，并且在設(shè)計(jì)基本完成之前無(wú)法正式執(zhí)行輻射發(fā)射測(cè)試。

濾波器通常用于通過在一定頻率或一定頻率范圍內(nèi)衰減強(qiáng)度來(lái)降低EMI。通過空間傳播的能量的一部分（輻射）通過添加金屬和磁屏蔽來(lái)衰減。通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)馴服位于PCB走線（導(dǎo)電）上的部分。EMI無(wú)法消除，但可以衰減到其他通信和數(shù)字組件可接受的水平。此外，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以確保合規(guī)性。

采用表面貼裝技術(shù)的現(xiàn)代輸入濾波器元件比通孔器件具有更好的性能。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器工作開關(guān)頻率的增加超過了這種改進(jìn)。更高的效率、更低的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間由于開關(guān)轉(zhuǎn)換速度更快，導(dǎo)致更高的諧波含量。開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會(huì)降低6 dB，而所有其他參數(shù)（如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間）保持不變。寬帶EMI的行為類似于一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率增加20倍，則發(fā)射將高出10 dB。

精明的PCB設(shè)計(jì)人員將使熱回路變小，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，器件引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求以及去耦元件中充分儲(chǔ)能所需的封裝尺寸決定了最小熱回路尺寸。更復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，30 MHz以上走線之間的磁性或變壓器式耦合將減少所有濾波器工作，因?yàn)橹C波頻率越高，不需要的磁耦合就越有效。

具有低EMI輻射的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

正是由于前面描述的應(yīng)用限制，ADI公司的Power by Linear? Group開發(fā)了LT8645S，這是一款支持高輸入電壓的單片式同步降壓轉(zhuǎn)換器，還具有低EMI輻射。其 3.4 V 至 65 V 輸入電壓范圍使其成為汽車和卡車應(yīng)用的理想選擇，包括 ADAS，這些應(yīng)用必須在冷啟動(dòng)和啟停情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，最小輸入電壓低至 3.4 V，拋負(fù)載瞬變超過 60 V。如圖1所示，該器件采用單通道設(shè)計(jì)，在8 V時(shí)提供5 A輸出。其同步整流拓?fù)湓?94 MHz 開關(guān)頻率下提供高達(dá) 2% 的效率，而突發(fā)模式操作可在空載待機(jī)條件下將靜態(tài)電流保持在 2.5 μA 以下，使其成為始終接通系統(tǒng)的理想選擇。?

圖1.LT8645S原理圖在5 MHz時(shí)提供8 V/2 A輸出。

LT8645S的開關(guān)頻率可在200 kHz至2.2 MHz范圍內(nèi)編程，并在整個(gè)范圍內(nèi)同步。其獨(dú)特的靜音切換器 2 架構(gòu)集成了內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部 BST 和 INTV?抄送電容器，以減少解決方案的占位面積。結(jié)合控制良好的開關(guān)邊沿和具有集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用銅柱代替鍵合線，LT8645S 的設(shè)計(jì)大大降低了 EMI 輻射。此外，其靜音切換器 2 設(shè)計(jì)還可在任何印刷電路板 （PCB） 上提供強(qiáng)大的 EMI 性能，包括 2 層 PCB。此外，與其他同類轉(zhuǎn)換器相比，它對(duì)PCB布局的敏感性要低得多。這種新的性能水平歸功于LT8645S的內(nèi)部雙輸入BST和INTV抄送最小化熱回路面積的電容器。它仍然需要雙路外部輸入電容，但將它們放置在盡可能靠近輸入引腳的要求大大放寬。結(jié)合內(nèi)部電容，最大限度地減少了熱回路的面積，BT基板的集成接地層顯著改善了EMI性能（見圖2）。多層 BT 基板還使 I/O 引腳能夠使用與 QFN 封裝完全相同的模式，同時(shí)支持大型接地散熱焊盤。這種基于層壓的 QFN （LQFN） 封裝比標(biāo)準(zhǔn) QFN 更柔韌、更靈活，并且在板級(jí)溫度循環(huán)期間表現(xiàn)出更好的焊點(diǎn)可靠性性能，允許客戶使用 LQFN，而以前他們只能使用引線部件。

LT8645S可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)輕松通過汽車CISPR25的5類峰值EMI限值。擴(kuò)頻頻率調(diào)制也可用于進(jìn)一步降低 EMI 水平（圖 2）。LT8645S 采用內(nèi)部頂部和底部高效率電源開關(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)模式操作可在低輸出電流下保持高效率，同時(shí)將輸出紋波保持在 10 mV p-p 以下。最后，LT8645S采用小型耐熱性能增強(qiáng)型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。

圖2.LT8640S輻射EMI性能圖。

結(jié)論

ADAS在汽車和卡車中的擴(kuò)散不會(huì)很快結(jié)束。同樣明顯的是，找到滿足所有必要性能指標(biāo)的合適電源轉(zhuǎn)換器件，以免干擾ADAS并非易事。幸運(yùn)的是，這些汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以擁有ADI公司的靜音開關(guān)2DC-DC轉(zhuǎn)換器所提供的高性能功能。它們不僅大大簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)人員的任務(wù)，而且無(wú)需復(fù)雜的布局或設(shè)計(jì)技術(shù)即可同時(shí)提供所需的所有性能。

作者

審核編輯：郭婷