汽車設(shè)計(jì)需要低EMI同步降壓型轉(zhuǎn)換器

由于汽車中持續(xù)增加電子系統(tǒng)以提高安全性、舒適性、效率和性能，同時(shí)最大限度減少有害尾氣排放，因此汽車需要物理尺寸更小、功率大得多的電源解決方案就不足為奇了。另外，隨著汽車中 EMI 敏感系統(tǒng)的激增，降低開(kāi)關(guān)電源的 EMI 是至關(guān)重要，這些都給開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC的 設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的調(diào)查指出，未來(lái) 7 年，這些需求將使半導(dǎo)體器件以每年 5% 的平均年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAAGR) 增長(zhǎng)，到 2021 年，總體市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 410 億美元，而 2014 年這一數(shù)字為 289 億美元，其中，超過(guò) 40% 的收入將來(lái)自于對(duì)微控制器和電源半導(dǎo)體器件的需求。

同時(shí)，Strategy Analytics 對(duì)汽車中電子系統(tǒng)的增長(zhǎng)提供了非常量化的預(yù)測(cè)，不過(guò)更有趣的是，在這種增長(zhǎng)中，電源 IC 發(fā)揮了重要的作用，這類新型電源 IC 設(shè)計(jì)必須具備以下特點(diǎn)：

(1)在很寬的電壓范圍內(nèi)提供可靠的性能，包括處理超過(guò) 36V 的瞬態(tài)

(2)具有超低電磁干擾 (EMI) 輻射

(3)提供最高效率以最大限度減少過(guò)熱問(wèn)題和優(yōu)化電池運(yùn)行時(shí)間

(4)解決方案占板面積最小，需要非常大的功率密度以及 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率，以保持開(kāi)關(guān)噪聲落在 AM 無(wú)線電頻段以外，同時(shí)保持解決方案占板面積非常小

(5)具有超低靜態(tài)電流 (<10μA) 以實(shí)現(xiàn)始終保持接通系統(tǒng) (例如安保、環(huán)境控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)) 在引擎 (交流發(fā)電機(jī)) 不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下維持工作狀態(tài)，且不會(huì)消耗汽車的電池電量

提高電源 IC 性能的目的是，實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜和大量的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在汽車的每一個(gè)方面都能看到驅(qū)動(dòng)這種增長(zhǎng)的應(yīng)用，例如，新型安全行車系統(tǒng)，這包括車道監(jiān)視、自適應(yīng)安全行車控制、自動(dòng)轉(zhuǎn)向和前燈調(diào)光。信息娛樂(lè)系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng)) 也在持續(xù)演變，在一個(gè)已經(jīng)很擁擠的空間中容納了越來(lái)越多的功能，該系統(tǒng)還必須支持日益增加的云應(yīng)用。先進(jìn)的引擎管理系統(tǒng)具備停 / 啟系統(tǒng)和大量采用電子產(chǎn)品的變速器和引擎控制系統(tǒng)，還有旨在同時(shí)提高性能、行車安全和舒適度的傳動(dòng)系統(tǒng)以及底盤管理系統(tǒng)。十 年前，這些系統(tǒng)僅出現(xiàn)在高端豪華型汽車中，但今天在每個(gè)制造商的汽車中都屬于常見(jiàn)系統(tǒng)，這進(jìn)一步加速了汽車電源 IC 的增長(zhǎng)。圖 1 顯示了目前汽車中通常能夠見(jiàn)到的大量電子系統(tǒng)。

圖 1 汽車中的電子系統(tǒng)在激增

汽車系統(tǒng)中的瞬態(tài)

盡管汽車中的電池總線電壓通常為12V (在 9V 至 16V 之間變化，取決于何時(shí)交流發(fā)電機(jī)充電)。此外，在各種臨時(shí)條件下，鉛酸電池電壓受多種變化影響，冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況可能將電池電壓拉低至 3.5V，而拋載可能使電池總線電壓高達(dá) 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化的情況下準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)輸出。在冷車發(fā)動(dòng)/停-啟和拋載時(shí)，單節(jié)鉛酸電池的寬臨時(shí)電壓擺幅如圖 2 所示。請(qǐng)注意，合適的電源 IC (這里是 LT8640) 在出現(xiàn)上述情況時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)了 3.3V 輸出。

圖 2 在 36V 負(fù)載突降瞬態(tài)和 4V 冷車發(fā)動(dòng)情況下 LT8640 的表現(xiàn)

20V/DIV：每格 20V

LOAD DUMP：負(fù)載突降

COLD CRANK：冷車發(fā)動(dòng)

低EMI工作

因?yàn)槠囯姎猸h(huán)境有固有噪聲，而很多應(yīng)用對(duì)電磁干擾 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能加重 EMI 問(wèn)題。由于一般情況下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，所以無(wú)論下游轉(zhuǎn)換器性能如何，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都會(huì)對(duì)總體轉(zhuǎn)換器 EMI 性能產(chǎn)生顯著影響，因此最大限度降低 EMI 是非常緊迫的任務(wù)。過(guò)去采用的解決方案是，使用一個(gè) EMI 屏蔽盒，但是這極大地增加了解決方案的成本和尺寸，同時(shí)使熱量管理、測(cè)試和制造更加復(fù)雜。電源管理 IC 內(nèi)部可以采取的另一種解決方案是降低內(nèi)部 MOSFET 開(kāi)關(guān)邊沿的速率。不過(guò)，這產(chǎn)生了不良的影響，降低了效率并延長(zhǎng)了最短接通時(shí)間，影響了 IC 在 2MHz 或更高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)提供低占空比的能力。由于人們希望擁有高效率和小尺寸解決方案，所以這不是一個(gè)可行的解決方案。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了一些獨(dú)特的電源 IC 設(shè)計(jì)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)頻率、非常高的效率和很短的最短接通時(shí)間。這些設(shè)計(jì)一般具備低 20dB 以上的 EMI 輻射，同時(shí)提供 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率和 95% 的效率，有些還提供擴(kuò)展頻譜功能，這可以將 EMI 輻射再降低 10dB，這樣的性能無(wú)需額外增加組件或屏蔽就可以實(shí)現(xiàn)，從而在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。

高效率工作

汽車應(yīng)用中電源管理 IC 高效率工作非常重要，原因有二，首先，電源轉(zhuǎn)換效率越高，以熱量形式浪費(fèi)的能量就越少。因?yàn)闊崃渴侨魏坞娮酉到y(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的“敵人”，所以必須有效管理熱量，這一般需要用散熱器實(shí)現(xiàn)冷卻，從而增大了整體解決方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。其次，在混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車中，浪費(fèi)的任何電能都將直接減少其行駛里程。直到最近，高壓?jiǎn)纹娫垂芾? IC 和高效率同步整流設(shè)計(jì)還是相互排斥的，因?yàn)樗枰?IC 工藝不能同時(shí)支持這兩種要求。過(guò)去，最高效率的解決方案是高壓控制器，這類控制器采用外部 MOSFET 實(shí)現(xiàn)同步整流。然而，與單片解決方案相比，對(duì)低于 25W 的應(yīng)用而言，這樣的配置相對(duì)復(fù)雜和笨重。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可通過(guò)內(nèi)部同步整流同時(shí)提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。[!--empirenews.page--]

更小的電源轉(zhuǎn)換電路

有幾種方式可以縮小電源轉(zhuǎn)換電路。一般而言，電路中最大的組件不是電源 IC，而是外部電感器和電容器。通過(guò)將 IC 的開(kāi)關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這些外部組件的尺寸可以大大減小 (解決方案占板面積可以減小 4 倍)。但是為了有效做到這一點(diǎn)，電源 IC 必須在較高頻率時(shí)提供高效率，這在以前一直是不可行的。不過(guò)，通過(guò)采用新的工藝和設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出提供 95% 以上效率同時(shí)以 2MHz 切換的同步電源 IC。高效率工作最大限度地降低了功耗，消除了對(duì)散熱器的需求，并且高效率工作還增加了可保持開(kāi)關(guān)噪聲處于 AM 頻段以外的好處。

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

很多電子子系統(tǒng)都需要在“待機(jī)”或“保活”模式工作，處于這種狀態(tài)時(shí)以穩(wěn)定電壓吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)導(dǎo)航、行車安全、安保以及引擎管理電子電源系統(tǒng)中都能看到這類電路。此外，這類子系統(tǒng)每個(gè)都可能含有幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型汽車都內(nèi)置超過(guò) 150 個(gè)這類 DSP，其中大約 20% 需要始終保持接通工作。在這類系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須以兩種不同的模式工作。首先，當(dāng)汽車處于運(yùn)行時(shí)，為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路一般會(huì)以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。不過(guò)，當(dāng)汽車點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，這些系統(tǒng)中的微處理器必須“始終保持接通”，從而要求其電源 IC 提供恒定電壓，同時(shí)從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過(guò) 30 個(gè)這類始終保持接通的處理器同時(shí)工作，那么，即使當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，對(duì)電池也有相當(dāng)大的功率需求。總體而言，可能需要數(shù)百毫安電源電流為這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時(shí)間內(nèi)徹底耗盡一個(gè)電池的電量。

因此，這些電源 IC 的靜態(tài)電流需要大幅降低以延長(zhǎng)電池壽命，且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性。直到最近，對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流要求還是相互排斥的參數(shù)。大約十年前，幾家汽車制造商為始終接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器確定了一個(gè) <100μA 的低靜態(tài)電流目標(biāo)，但是今天，低于 10μA 已成為首選。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已有新一代電源 IC 可用，這些 IC 在備用模式下提供低于 2.5μA 靜態(tài)電流。

新型解決方案

直到現(xiàn)在，仍然沒(méi)有辦法確保通過(guò)選擇電源 IC 使 EMI 得到抑制，并滿足效率要求。不過(guò) LT8640 Silent Switcher穩(wěn)壓器使這些成為可能。LT8640 是 Silent Switcher 高壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列的第二款器件。該器件是一款 5A(連續(xù)電流，峰值電流 7A)、42V 輸入同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。正如在圖 3 中可以看到的那樣，在沒(méi)有啟動(dòng)擴(kuò)展頻譜功能時(shí)，EMI 輻射比汽車 CISPER 25 Class 5 峰值限制值低 10dB 至 30dB。在最關(guān)鍵的汽車頻段，擴(kuò)展頻譜將這些輻射值再降低5dB 至10dB。與現(xiàn)有最新開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，EMI 輻射合起來(lái)可降低超過(guò) 25dB。圖3中 LT8640 以 2MHz 頻率切換，負(fù)載電流為 4A，無(wú)需外部 EMI 屏蔽。

圖 3 有/無(wú)擴(kuò)展頻譜時(shí) LT8640 的EMI 輻射性能 (fSW=2MHz，ILOAD=4A)

Radiated EMI Performance： EMI 輻射性能

CISPR25 Radiated Emission Test with Class 5 Peak Limits：具 Class 5 峰值限制的 CISPR25 輻射測(cè)試

AMPLITUDE：幅度

VERTICAL POLARIZATION：垂直極化

PEAK DETECTOR：峰值檢測(cè)器

CLASS 5 PEAK LIMIT：Class 5 峰值限制

BURST MODE：突發(fā)模式

SPREAD SPECTRUM MODE：擴(kuò)展頻譜模式

FREQUENCY：頻率

圖 4 所示為 LT8640 的原理圖。同步整流無(wú)需任何外部二極管，從而提高了效率，同時(shí)減小了解決方案占板面積。這個(gè)原理圖電路采用 3.3μH 電感器，以 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率切換，提供 96% 的效率。不過(guò)，正如在圖 5 中所能看到的那樣，以 2MHz 頻率運(yùn)行 LT8640 避開(kāi)了與 AM 無(wú)線電頻段有關(guān)的任何干擾問(wèn)題，且可以使用更小的 2.2μH 電感器，同時(shí)仍然提供 95% 的效率。LT8640 運(yùn)用獨(dú)特設(shè)計(jì)，最大限度地降低了開(kāi)關(guān)損耗，使該器件能夠以 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率提供較高的效率。

圖 4 LT8640 典型汽車應(yīng)用原理圖，提供 5V 輸出

圖 5 LT8640 在 1MHz、2MHz 和 3MHz 時(shí)的效率曲線[!--empirenews.page--]

12VIN to 5VOUT Efficiency：12VIN 至 5VOUT 效率

EFFICIENCY：效率

POWER LOSS：功耗

LOAD CURRENT：負(fù)載電流

LT8640的3.4V至42V輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車及工業(yè)應(yīng)用。內(nèi)部高效率開(kāi)關(guān)在電壓低至0.97V時(shí)提供高達(dá)5A的連續(xù)輸出電流和7A峰值負(fù)載。其突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作僅消耗 2.5μA 靜態(tài)電流，從而非常適合汽車始終保持接通系統(tǒng)等應(yīng)用，因?yàn)檫@類系統(tǒng)需要延長(zhǎng)電池工作壽命。LT8640 的獨(dú)特設(shè)計(jì)在所有條件下保持了僅為100mV(在1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。此外，短至僅為 40ns 的最短接通時(shí)間在16V輸入至1.5V輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)了 2MHz 恒定頻率切換，從而使設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化效率，同時(shí)避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8640 的20 引線3mmx4mmQFN封裝和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。

結(jié)論

汽車中極端復(fù)雜的電子系統(tǒng)迅速增加，對(duì)電源管理 IC 提出了更高的要求，同時(shí)大負(fù)載電流、高開(kāi)關(guān)頻率和高效率設(shè)計(jì)合起來(lái)帶來(lái)了巨大的 EMI 挑戰(zhàn)。不過(guò)，LT8640 的獨(dú)特設(shè)計(jì)提供了高效率、快速切換性能，實(shí)現(xiàn)了占板面積非常緊湊的解決方案，并且 EMI 輻射超低，從而在電源 IC 領(lǐng)域樹(shù)立了全新標(biāo)準(zhǔn)，也為未來(lái)汽車中增加更多的電子系統(tǒng)鋪平了道路。