汽車設(shè)計(jì)需要低EMI同步降壓型轉(zhuǎn)換器
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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。