如何利用高可靠性的電感器確保汽車安全

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng) (ADS) 屬安全關(guān)鍵型汽車自主駕駛系統(tǒng)。它們由一個(gè)或多個(gè)高級(jí)處理器組成，并會(huì)根據(jù)多個(gè)傳感器的輸入做出關(guān)鍵決策。這些處理器通常在各種低電壓水平下工作，但可能需要兩位數(shù)安培 (A) 的電流。

電源管理集成電路 (PMIC) 則用來(lái)向處理器提供多種電壓，但它們需要高可靠性的電感器來(lái)確保電力穩(wěn)定。這些電感器必須能夠在高達(dá) 10 兆赫 (MHz) 的電源開(kāi)關(guān)頻率下，以低功率損耗處理大電流。電感器還需要有較高的體積效率、較小的印刷電路板尺寸和較低的外形。與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的所有元器件一樣，它們必須滿足汽車行業(yè)所要求的嚴(yán)格的可靠性和安全標(biāo)準(zhǔn)，如 AEC-Q200。

本文簡(jiǎn)要介紹了ADAS/ADS 的處理要求。然后，介紹了 [TDK]為這種應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的電感器，并說(shuō)明其獨(dú)特的特性是如何幫助確保汽車設(shè)計(jì)的穩(wěn)健和安全的。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

典型的 ADAS/ADS 會(huì)使用一個(gè)專門處理器，并與多個(gè)傳感器連接，以便快速做出自主駕駛所需的決策（圖 1）。

圖 1：ADAS/ADS 中的處理器需要電源提供可靠的大電流水平和較低的電壓，且由 PMIC 提供，以便根據(jù)傳感器輸入控制車輛。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

這些處理器的電源軌電壓通常較低，約為 1 伏，但電流水平可達(dá)十幾安，會(huì)對(duì) PMIC 造成壓力。圖 1 中的次級(jí)轉(zhuǎn)換器使用 8 個(gè)功率電感器與 PMIC 一起向處理器供電。

功率電感器是在其電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量的無(wú)源器件，廣泛用于電源電路和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中。與 PMIC 一起作為降壓轉(zhuǎn)換器使用，功率電感器是影響功率轉(zhuǎn)換過(guò)程性能的關(guān)鍵元件（圖 2）。

圖 2：?jiǎn)我唤祲恨D(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化示意圖突現(xiàn)了功率電感器的作用。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出電壓比輸入電壓低。在降壓轉(zhuǎn)換器中，會(huì)與輸入電壓源 (V IN ) 串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)。輸入源通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)低通濾波器向輸出端饋電。濾波器由一個(gè)功率電感器和一個(gè)輸出電容實(shí)現(xiàn)。在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的時(shí)間為 TON 時(shí)，輸入驅(qū)動(dòng)輸出以及功率電感器。在這個(gè) TON 期間，VIN 和輸出電壓 (V OUT ) 之間的電壓水平差正向施加到電感上，如圖 2 中“Switch On”箭頭所示。電感器電流 (I L ) 線性上升至 I peak 。

當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉 (T OFF ) 時(shí)，由于電感器儲(chǔ)存的能量繼續(xù)通過(guò)換向二極管向負(fù)載提供電流，電感電流繼續(xù)沿相同的方向流動(dòng)，如圖 2 中“Switch Off”箭頭所示。在這個(gè) TOFF 期間，電感器的輸出電壓 VOUT 以相反的方向施加在它上面，電感器的電流從 Ipeak 值下降。這就產(chǎn)生了一個(gè)三角形的紋波電流。紋波電流的大小與功率電感器的電感量有關(guān)。電感值一般設(shè)置在能夠產(chǎn)生達(dá)到 20-30% 額定輸出電流的紋波電流的水平。輸出電壓將與開(kāi)關(guān)的占空比成正比。

如果負(fù)載突然增加，就會(huì)出現(xiàn)輸出電壓下降，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)功率電感器的峰值電流異常大，從而給輸出電容充電。功率電感器的值會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)：小的電感器值會(huì)加快恢復(fù)時(shí)間，大的值會(huì)增加恢復(fù)時(shí)間。

在車輛環(huán)境中，這些電感器必須滿足非常高的電氣和機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)。其中最重要的是高可靠性。擬在汽車中工作的無(wú)源元件的可靠性和質(zhì)量必須達(dá)到汽車電子委員會(huì) (AEC) 制定的標(biāo)準(zhǔn)要求。無(wú)源元件符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是所有無(wú)源電子元件在用于汽車行業(yè)時(shí)必須滿足的全球應(yīng)力耐受性標(biāo)準(zhǔn)。這些測(cè)試包括抗沖擊、振動(dòng)、濕度、溶劑、焊接熱、電路板彎曲和靜電放電 (ESD)。測(cè)試還包括暴露在極端溫度下和熱循環(huán)中的 -40°C 到 +125°C 的溫度測(cè)試。

對(duì)于汽車應(yīng)用，電感器必須具有緊湊的尺寸，并且能夠在預(yù)期的汽車溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。后者的能力需要較低的串聯(lián)電阻，以最大限度地減少功率損失并降低溫升。電感器還應(yīng)該能夠在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范圍的電源開(kāi)關(guān)頻率下工作，并且還能夠處理可能出現(xiàn)高飽和電流的高瞬態(tài)負(fù)載。

設(shè)計(jì)用于汽車的功率電感器

EPCOS-TDK 的 [CLT32] 系列功率電感器專為 ADAS/ADS 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高可靠性、高額定電流、低串聯(lián)電阻、高飽和電流和小尺寸等特性（圖 3）。

圖 3：TDK CLT32 系列功率電感器具有單件式線圈/端子結(jié)構(gòu)，使用厚銅繞組，沒(méi)有內(nèi)部連接。磁性成型材料確保了軟飽和特性。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

CLT32 功率電感器是圍繞著一個(gè)一體式厚銅線圈形成的，采用了一個(gè)一體化的端子結(jié)構(gòu)。這意味著沒(méi)有內(nèi)部連接導(dǎo)致不可靠的操作。厚實(shí)的銅線圈也使串聯(lián)電阻低至 0.39 毫歐 (mΩ) ，最大限度減少了功率損失。較低的電阻也導(dǎo)致了負(fù)載下產(chǎn)生的熱量較低。

線圈采用一種新開(kāi)發(fā)的鐵磁性塑料化合物包覆而成，形成了線圈的核心和外殼。即使在高溫和高頻應(yīng)用中，該芯材也具有優(yōu)良的電氣特征。特別值得注意的是低磁芯損耗。此外，該材料能夠在低壓和低溫下加工，最大限度地減少了生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)線圈的壓力。

與其他鐵氧體材料相比，該磁芯材料提供了軟飽和特征。由于磁飽和導(dǎo)致的電感變化會(huì)表示為飽和漂移，以電感變化的百分比來(lái)衡量（圖 4）。

圖 4：在對(duì)磁飽和的響應(yīng)中，CLT32 磁芯表現(xiàn)出較低的飽和漂移，提供了一個(gè)軟響應(yīng)。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

CLT32 磁芯材料提供了明顯較低的因飽和引起的電感值變化，特別是在較高的溫度下。其提供的最大飽和電流高至 60 A。

整個(gè)電感器裝在一個(gè) 3.2 × 2.5 × 2.5 毫米 (mm) 的扁平封裝中。這種高體積效率意味著可以使用多個(gè)電感器，而不必將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到更大的電路板上。電感器的額定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +165℃。這個(gè)溫度范圍超過(guò)了上面提到的 AEC-Q200 最高測(cè)試溫度 125℃ 的要求。

如表 1 所示，TDK CLT32 功率電感器的電感值從 17 到 440 納亨 (nH)。

| | 電感 | R DC ，典型值 | +23°C 時(shí)的 ISAT | 23°C 時(shí) ITEMP 典型值 | 內(nèi)部代碼 | 訂購(gòu)代碼 |
| -------- | ------------------ | --------------------- | -------------------------- | ----------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 17 nH | 0.39 mΩ | 60.0 A | 45.0 A | B82403T0170M000 | [CLT32-17N]|
| 42 nH | 1.0 mΩ | 54.0 A | 28.0 A | B82403T0420M000 | [CLT32-42N]|
| 55 nH | 1.0 mΩ | 39.5 A | 28.0 A | B82403T0550M000 | [CLT32-55N]|
| 80 nH | 1.9 mΩ | 36.0 A | 20.0 A | B82403T0800M000 | [CLT32-80N]|
| 110 nH | 1.9 mΩ | 29.0 A | 20.0 A | B82403T0111M000 | [CLT32-R11]|
| 150 nH | 3.3 mΩ | 25.4 A | 15.4 A | B82403T0151M000 | [CLT32-R15]|
| 200 nH | 3.3 mΩ | 20.5 A | 15.4 A | B82403T0201M000 | [CLT32-R20]|
| 310 nH | 5.3 mΩ | 17.5 A | 12.1 A | B82403T0311M000 | [CLT32-R31] |
| 440 nH | 7.6 mΩ | 13.5 A | 10.1 A | B82403T0441M000 | [CLT32-R44]|

表 1：表中所示為 TDK CLT32 功率電感器的指定特征及其相應(yīng)的訂購(gòu)代碼。所有這些全部采用同一個(gè) 3.2 × 2.5 × 2.5 mm 扁平封裝。（表格來(lái)源：EPCOS-TDK）

按照本表，RDC 是指電感器的串聯(lián)電阻。請(qǐng)注意，由于更高的電感量需要更多的匝數(shù)，所以電感值與匝數(shù)成正比。ISAT 基于因飽和導(dǎo)致的電感值減少的飽和電流，與電感值成反比。Itemp 是最大的額定電流，基于封裝中的溫升。Itemp 也與電感值成反比。

功率電感器的損耗包括與線圈的串聯(lián)電阻成正比的直流損耗。由于集膚效應(yīng)、磁滯損失和渦流損失，還存在交流損失。渦流交流損耗與磁芯材料有關(guān)。

與其他技術(shù)相比，如薄膜或金屬?gòu)?fù)合電感器，CLT32 電感器展示出更低的紋波電流功率損失（圖 5）。

圖 5：CLT32 功率電感器比薄膜或金屬?gòu)?fù)合電感器技術(shù)具有更低的紋波電流功率損耗。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

低交流紋波損失意味著可以容忍更高的紋波電流，允許 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中電容值更低。

與其他類型的電感器相比，更低的損耗也轉(zhuǎn)化為更高的效率（圖 6）。

圖 6：?jiǎn)屋敵鼋祲恨D(zhuǎn)換器中的功率電感器性能比較顯示 CLT32 功率電感器的效率更高。（圖片來(lái)源：EPCOS-TDK）

在輕度負(fù)載下，磁芯損耗主導(dǎo)著功率電感器的效率。由于電阻損失，較高的負(fù)載會(huì)降低效率。在所有情況下，CLT32 功率電感器都優(yōu)于其他技術(shù)。

結(jié)語(yǔ)

TDK CLT32 系列功率電感器融入了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，提供了比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)更小的尺寸和更好的電氣性能，同時(shí)保證了更高的可靠性。其寬溫度范圍和寬頻率范圍使之成為下一代 ADAS/ADS 設(shè)計(jì)的理想元件。