低EMI/EMC開關(guān)轉(zhuǎn)換器簡化ADAS設計

背景知識

ADAS是高級駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫，它在當今許多新型汽車和卡車中很常見。此類系統(tǒng)通常有助于安全駕駛;當檢測到周圍物體(例如不遵守交通規(guī)則的行人、騎車人，甚至有其他車輛位于不安全的行駛軌跡上)構(gòu)成風險時，系統(tǒng)可以向駕駛員提供警報!此外，這些系統(tǒng)通常提供自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員困倦監(jiān)控、自動制動、牽引控制和夜視等動態(tài)特性。因此，消費者對安全性日益增強的重視、對駕駛舒適性的要求以及政府安全法規(guī)的不斷增加，是未來十年后半時期汽車ADAS的主要增長動力。

這種增長對行業(yè)來說并不是沒有挑戰(zhàn)，包括價格壓力、通貨膨脹、復雜性和系統(tǒng)測試的困難性。此外，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一，這點不足為奇，ADAS的市場滲透率和客戶接受度均有重大突破。不過，美國和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標是實現(xiàn)無需人類在方向盤后面干預的自動駕駛!

系統(tǒng)難題

一般來說，ADAS集成了一些微處理器來收集車內(nèi)眾多傳感器提供的所有輸入，然后進行處理，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)通常由車輛主電池直接供電，其標稱電壓為9 V至18 V，但由于系統(tǒng)內(nèi)部的電壓瞬變，電壓可能高達42 V，而在冷啟動期間，電壓可能低至3.4 V。因此，這些系統(tǒng)中的任何DC-DC轉(zhuǎn)換器都必須至少能夠處理3.4 V至42 V的寬輸入電壓范圍。另外，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，上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設計為覆蓋3.4 V至65 V的輸入范圍，使其可用于汽車或卡車中，同時在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟的好處。

大部分ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC器件供電。相應地，此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個轉(zhuǎn)換器來同時解決單電瓶和雙電瓶配置。此外，該系統(tǒng)通常安裝在車輛中空間和散熱均受限制的部分中，這會給用于散熱目的的散熱器帶來限制。雖然采用高壓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，但在如今的ADAS中，開關(guān)穩(wěn)壓器也必須達到2 MHz或更高的開關(guān)頻率，而非以前的500 kHz以下開關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動力是需要更小尺寸的解決方案，同時也要保持在AM頻段之上，以避開任何潛在的干擾。

另外，好像設計人員的任務還不夠復雜一樣，他們還必須確保ADAS符合車內(nèi)各種抗噪標準。在汽車環(huán)境中，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代那些重視低發(fā)熱和高效率的區(qū)域中的線性穩(wěn)壓器。而且，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源部件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發(fā)射有兩類：傳導和輻射。傳導發(fā)射位于連接到產(chǎn)品的電線和走線上。由于該噪聲局限于設計中的特定端子或連接器，因此在開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設計，通常可以相對容易地保證符合傳導輻射要求。

不過，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輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個銅層都是一個諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會在整個信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設計，在系統(tǒng)進行測試之前，電源設計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕——而輻射發(fā)射測試只有在設計基本完成之后才能正式進行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強度，從而降低EMI。通過空間傳播(輻射)的這部分能量可通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。位于PCB走線(傳導)的能量部分可通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來抑制。EMI無法消除，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)管機構(gòu)通過實施相關(guān)標準來確保產(chǎn)品合規(guī)。

圖1.提供5 V、8 A、2 MHz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，這種改善跟不上開關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開/關(guān)時間和更快的開關(guān)躍遷，導致諧波含量更高。所有其他參數(shù)(如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間)保持不變時，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會惡化6 dB。如果開關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI就會像輻射增加20 dB的一階高通濾波器一樣。

有經(jīng)驗的PCB設計人員會將熱環(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)、散熱設計要求以及在去耦元件中儲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。更復雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線之間高于30 MHz的磁性或變壓器式耦合會削弱所有濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不良磁耦合就越顯著。

低EMI輻射的高電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

鑒于上文所述的應用限制，ADI公司Power by Linear?部門開發(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3.4 V至65 V，因而既適合汽車應用，也適合卡車應用，包括ADAS，后者必須勝任冷啟動和啟停場景下的調(diào)節(jié)，最低輸入電壓低至3.4 V，電源切斷瞬變超過60 V。如圖1所示，該器件采用單通道設計，提供5 V、8 A輸出。開關(guān)頻率為2 MHz時，其同步整流拓撲可實現(xiàn)高達94%的效率，而在空載待機條件下，突發(fā)工作模式(Burst Mode®)保持靜態(tài)電流低于2.5 μA，因此非常適合始終開啟的系統(tǒng)使用。

LT8645S的開關(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內(nèi)進行編程，并且在整個頻率范圍內(nèi)都支持同步。其獨特的Silent Switcher® 2架構(gòu)集成了內(nèi)部輸入電容以及內(nèi)部BST和INTVCC電容，以縮小解決方案尺寸。結(jié)合嚴格受控的開關(guān)邊沿和集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用銅柱代替鍵合線，LT8645S的設計大大降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設計還能在任何印刷電路板(PCB，包括2層PCB)上提供魯棒的EMI性能。而且，與其他類似轉(zhuǎn)換器相比，它對PCB布局的敏感度要低得多。這是因為，LT8645S的內(nèi)部雙路輸入、BST和INTVCC電容將熱環(huán)路面積減至最小，使性能達到新的水平。它仍然需要兩個外部輸入電容，但不再嚴格要求把這些電容放在盡可能靠近輸入引腳的位置。結(jié)合內(nèi)部電容(其使熱環(huán)路面積最小)，BT襯底的集成接地層使EMI性能顯著提高(見圖2)。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的圖案，同時支持實現(xiàn)大型接地焊盤。這種層壓式QFN (LQFN)封裝比標準QFN更柔韌且更靈活，其焊點可靠性在板級溫度循環(huán)期間表現(xiàn)出好得多的性能，使得客戶在以前只能使用含鉛器件的情況下可以使用LQFN。

在整個負載范圍內(nèi)，LT8645S可以輕松符合汽車CISPR25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用擴頻頻率調(diào)制進一步降低EMI水平(圖2)。LT8645S內(nèi)置高效率頂部和底部功率開關(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，同時使輸出紋波低于10 mV p-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。

圖2.LT8640S輻射EMI性能圖

結(jié)論

ADAS在汽車和卡車市場中的推廣不會很快結(jié)束。同樣清楚的是，找到合適的功率轉(zhuǎn)換器件以滿足所有必要的性能指標，從而不干擾ADAS，不是一項簡單的任務。幸運的是，此類汽車系統(tǒng)的設計人員現(xiàn)在可以獲得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的強大性能和能力。這些器件不僅大大簡化了電源設計人員的工作，同時還提供其所需要的全部性能，而不要求復雜的布局或設計技術(shù)。