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汽车ADAS需要EMI/EMC辐射很低的开关转换器

2017-10-16 来源:安规与电磁兼容网 作者:Tony Armstrong 浏览次数:45
导读:到2020年,ADAS市场预计将达到600亿美元[数据来源:Allied Market Research]。这意味着,在2014年到2020年这个时间段内,年复合增长率为22.8%。显然,这对半导体产品而言,意味着巨大的机会!ADAS即高级驾驶员辅助系

到2020年,ADAS市场预计将达到600亿美元[数据来源:Allied Market Research]。这意味着,在2014年到2020年这个时间段内,年复合增长率为22.8%。显然,这对半导体产品而言,意味着巨大的机会!

ADAS即高级驾驶员辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems)”,在今天的很多新型汽车中都能见到。这类系统常常方便了安全驾驶,如果系统检测到来自周围物体的风险,例如不守规矩的行人、骑行者甚至处于不安全行驶方向的其他车辆,就会向驾驶员发出警报。此外,这类系统通常还会提供动态功能,例如自适应巡航控制、盲点检测、车道偏离警告、驾驶员犯困监视、自动刹车、牵引力控制和夜视。因此,在当前这10年的后半段,消费者对安全的日益关注、对驾驶舒适度的需求以及不断增加的政府安全法规,成了汽车ADAS增长的主要驱动力。

这种增长的到来必然伴随着对这个行业的挑战,其中包括价格压力、通货膨胀、测试这类系统的复杂性和困难。此外,欧洲是最具创新性的汽车市场之一,这一点应该不足为奇,因此,欧洲已经看到,ADAS正大举进入市场,欧洲汽车行业的客户在大量采用ADAS。不过,美国和日本汽车制造商也没有很落后。汽车行业的最终目标是,提供无人坐在方向盘后面的自动驾驶汽车!

系统带来的挑战

一般而言,ADAS系统中包括某种处理器,以收集来自汽车中无数传感器的输入数据,然后处理这些数据,以便能够以容易理解的方式方便地提供给驾驶员。此外,这类系统通常直接由汽车的主电池供电,其标称电压为9V至18V,不过由于系统中的电压瞬态而可能高达42V,以及在冷车发动情况下可能低至3.5V。因此,很显然的是,这类系统中的任何DC/DC转换器最低限度都必须能够应对3.5V至42V的宽输入电压范围。

很多ADAS系统都是用5V和3.3V轨给各种模拟和数字IC产品供电,然而,通常使用的处理器I/O及内核电压的运行要求却处于低于2V的范围,而且有可能低至0.8V。此外,这类系统常常安装在汽车中某一空间和散热都受限的地方,因此限制了可用于冷却用途的散热器的使用。尽管人们普遍使用高压DC/DC转换器直接从电池产生5V和3.3V电源轨,但是在今天的ADAS系统中,开关稳压器还必须以2MHz或更高的频率切换,而不是过去低于500kHz的开关频率。这种变换背后的关键驱动力是,需要占板面积更小的解决方案,同时保持高于AM频段,以避免任何潜在的干扰。

最后,似乎设计师的任务还不够复杂,他们还必须确保ADAS系统符合汽车中的各种抗噪声标准要求。在汽车环境中,对有些区域,低热耗散和高效率是很重要的,在这些区域,开关稳压器正在取代线性稳压器。此外,开关稳压器一般是输入电源总线上的第一个有源组件,因此对整个转换器电路的EMI性能有很大的影响。

有两种类型的EMI辐射:传导型和辐射型。传导型辐射依赖连接产品的导线和走线。既然这种噪声局限于设计中的特定端子或连接器处,那么如之前已经提到的那样,通过良好的布局或滤波器设计,常常在开发过程相对较早的阶段,就能够确保符合传导型辐射要求。

然而,辐射型辐射就完全是另外一回事了。电路板上携带电流的所有东西都辐射一个电磁场。电路板上的每一条走线都是一个天线,每一个铜平面都是一个谐振器。除了纯粹的正弦波或DC电压,任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使经过了仔细设计,在系统经过测试之前,电源设计师仍然从来无法确知辐射型辐射将会多严重。而且,在设计从根本上完成之前,无法正式进行辐射型辐射测试。

滤波器常常用来衰减某一频率或某一频率范围的噪声强度以降低EMI。通过增加金属屏蔽和磁性屏蔽,可以衰减通过空间(辐射型)传播的那部分能量。通过增加铁氧体珠和其他滤波器,可以控制依赖PCB走线(传导型)的那部分能量。EMI无法完全消除,但是可以衰减到一个其他通信和数字组件可以接受的水平。此外,几个监管机构也要求执行一些标准,以确保符合EMI要求。

与通孔式组件相比,采用表面贴装技术的新式输入滤波器组件的性能更高。然而,这种改进的速度慢于开关稳压器开关工作频率提高的速度。开关转换速度提高,会使效率提高、最短接通和断开时间缩短,但是谐波分量增大了。开关频率每增大一倍,在开关容量和转换时间等所有其他参数保持恒定时,EMI恶化6dB。宽带EMI的表现就像一个一阶高通滤波器,如果开关频率提高10倍,辐射就增大20dB。

熟练的PCB设计师将设计很小的热环路,并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而,在去耦组件中存储充足能量所需的器件引脚布局、封装结构、热设计要求和封装尺寸决定了热环路的最小尺寸。使问题更加复杂的是,在典型的平面印刷电路板中,走线之间高于30MHz的磁性或变压器型耦合将全面减弱滤波器的作用,因为谐波频率越高,不想要的磁耦合就变得越有效。

具低EMI/EMC辐射的双DC/DC转换器

由于上述的应用限制,凌力尔特公司(最近已被ADI收购)开发了LT8650S,这是一款能接受高输入电压的双输出单片同步降压型转换器,具很低的EMI/EMC辐射。其3V至42V输入电压范围使该器件非常适合包括ADAS在内的汽车应用,汽车应用必须稳定通过最低输入电压低至3V的冷车发动和停-启情况、以及超过40V的负载突降瞬态。正如在图1中能看到的那样,这是一款双通道设计,由两个高压4A通道组成,提供低至0.8V的电压,从而使该器件能够驱动目前可用和电压最低的微处理器内核。其同步整流拓扑在2MHz开关频率时提供高达94.4%的效率,而突发模式(Burst Mode®)运行在无负载备用条件下保持静态电流低于6.2µA(两个通道都接通),从而使该器件非常适合始终保持接通系统。

图1:LT8650S原理图─在2MHz时提供5V/5A和3.3V/4A输出

LT8650S的开关频率可以设定在300kHz至3MHz范围内,并可同步至这一范围。其40ns最短接通时间允许在高压通道以2MHz开关频率进行16VIN至2.0VOUT降压转换。其独特的Silent Switcher®2架构使用两个内部输入电容器以及内部BST和INTVCC电容器,以最大限度减小热环路面积。LT8650S的设计兼具控制良好的开关边沿和一种具整体接地平面的内部结构,并用铜柱代替了接合线,因此显著降低了EMI/EMC辐射。参见图2以了解辐射输出特性。这种改进的EMI/EMC性能对电路板布局不敏感,从而简化了设计并降低了风险,甚至在使用两层PC板时也不例外。LT8650S在整个负载范围内以2MHz开关频率切换时,能够非常容易地满足汽车CISPR25 Class5峰值EMI限制。扩展频谱频率调制也可用来进一步降低EMI水平。

图2:LT8650S的辐射EMI图

LT8650S使用内部顶部和底部高效率电源开关,单个芯片内集成了必要的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路。低纹波突发模式运行在低输出电流时保持高效率,同时保持输出纹波低于10mVp-p。最后,LT8650S采用小型耐热性能增强型4mm x 6mm 32引脚LGA封装。

结论

可以毫无疑问地说,ADAS系统在汽车市场的渗透将不会很快结束。此外,很显然的是,找到一种满足所有必要的性能标准以不对ADAS系统造成干扰的电源转换器件,不是一项简单的任务。幸运的是,对这类系统的设计师而言,凌力尔特公司(现隶属ADI公司)的电源产品部提供了“同类最佳”的电源转换器,这些转换器极大地简化了这些设计师的任务,同时无需复杂的布局或设计方法,就可为设计师们提供需要的所有性能。

作者简介:Tony Armstrong,凌力尔特公司

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