汽車 ADAS 需要 EMI / EMC 輻射很低的開關(guān)轉(zhuǎn)換器

背景信息

到 2020 年， 市場預(yù)計(jì)將達(dá)到 600 億美元 [數(shù)據(jù)來源：Allied Market Research]。這意味著，在 2014 年到 2020 年這個時間段內(nèi)，年復(fù)合增長率為 22.8%。顯然，這對半導(dǎo)體產(chǎn)品而言，意味著巨大的機(jī)會!

ADAS 是 “高級駕駛員輔助系統(tǒng) (Advanced Driver AssistanceSystems)” 的英文首字母縮略語，在今天的很多新型汽車中都能經(jīng)常見到。這類系統(tǒng)常常方便了安全駕駛，如果系統(tǒng)檢測到來自周圍物體的風(fēng)險，例如不守規(guī)矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車輛，就會向駕駛員發(fā)出警報(bào)。此外，這類系統(tǒng)通常還會提供動態(tài)功能，例如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動剎車、牽引力控制和夜視。因此，在當(dāng)前這 10 年的后半段，消費(fèi)者對安全的日益關(guān)注、對駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規(guī)，成了汽車 ADAS 增長的主要驅(qū)動力。

這種增長的到來必然伴隨著對這個行業(yè)的挑戰(zhàn)，其中包括價格壓力、通貨膨脹、測試這類系統(tǒng)的復(fù)雜性和困難。此外，歐洲是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一，這一點(diǎn)應(yīng)該不足為奇，因此，歐洲已經(jīng)看到，ADAS 正大舉進(jìn)入市場，歐洲汽車行業(yè)的客戶在大量采用 ADAS。不過，美國和日本汽車制造商也沒有很落后。汽車行業(yè)的最終目標(biāo)是，提供無人坐在方向盤后面的自動駕駛汽車!

系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)

一般而言，ADAS 系統(tǒng)中包括某種處理器，以收集來自汽車中無數(shù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)，然后處理這些數(shù)據(jù)，以便能夠以容易理解的方式方便地提供給駕駛員。此外，這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電，其標(biāo)稱電壓為 9V 至 18V，不過由于系統(tǒng)中的電壓瞬態(tài)而可能高達(dá) 42V，以及在冷車發(fā)動情況下可能低至 3.5V。因此，很顯然的是，這類系統(tǒng)中的任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最低限度都必須能夠應(yīng)對 3.5V 至 42V 的寬輸入電壓范圍。

很多 ADAS 系統(tǒng)都是用 5V 和 3.3V 軌給各種模擬和數(shù)字 IC 產(chǎn)品供電，然而，通常使用的處理器 I/O 及內(nèi)核電壓的運(yùn)行要求卻處于低于 2V 的范圍，而且有可能低至 0.8V。此外，這類系統(tǒng)常常安裝在汽車中某一空間和散熱都受限的地方，因此限制了可用于冷卻用途的散熱器的使用。盡管人們普遍使用高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生 5V 和 3.3V 電源軌，但是在今天的 ADAS 系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器還必須以 2MHz 或更高的頻率切換，而不是過去低于 500kHz 的開關(guān)頻率。這種變換背后的關(guān)鍵驅(qū)動力是，需要占板面積更小的解決方案，同時保持高于 AM 頻段，以避免任何潛在的干擾。

最后，似乎設(shè)計(jì)師的任務(wù)還不夠復(fù)雜，他們還必須確保 ADAS 系統(tǒng)符合汽車中的各種抗噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。在汽車環(huán)境中，對有些區(qū)域，低熱耗散和高效率是很重要的，在這些區(qū)域，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有很大的影響。

有兩種類型的 EMI 輻射：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型輻射依賴連接產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線。既然這種噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器處，那么如之前已經(jīng)提到的那樣，通過良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常常在開發(fā)過程相對較早的階段，就能夠確保符合傳導(dǎo)型輻射要求。

然而，輻射型輻射就完全是另外一回事了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線，每一個銅平面都是一個諧振器。除了純粹的正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過了仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)經(jīng)過測試之前，電源設(shè)計(jì)師仍然從來無法確知輻射型輻射將會多嚴(yán)重。而且，在設(shè)計(jì)從根本上完成之前，無法正式進(jìn)行輻射型輻射測試。

濾波器常常用來衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強(qiáng)度以降低 EMI。通過增加金屬屏蔽和磁性屏蔽，可以衰減通過空間 (輻射型) 傳播的那部分能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以控制依賴 PCB 走線 (傳導(dǎo)型) 的那部分能量。EMI 無法完全消除，但是可以衰減到一個其他通信和數(shù)字組件可以接受的水平。此外，幾個監(jiān)管機(jī)構(gòu)也要求執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)，以確保符合 EMI 要求。

與通孔式組件相比，采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能更高。然而，這種改進(jìn)的速度慢于開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)工作頻率提高的速度。開關(guān)轉(zhuǎn)換速度提高，會使效率提高、最短接通和斷開時間縮短，但是諧波分量增大了。開關(guān)頻率每增大一倍，在開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間等所有其他參數(shù)保持恒定時，EMI 惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率提高 10 倍，輻射就增大 20dB。

熟練的 PCB 設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)很小的熱環(huán)路，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中存儲充足能量所需的器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了熱環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將全面減弱濾波器的作用，因?yàn)橹C波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越有效。

具低 EMI / EMC 輻射的雙 DC / DC 轉(zhuǎn)換器

由于上述的應(yīng)用限制，公司 (最近已被 ADI 收購) 開發(fā)了 ，這是一款能接受高輸入電壓的雙輸出單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器，具很低的 EMI/EMC 輻射。其 3V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合包括 ADAS 在內(nèi)的汽車應(yīng)用，汽車應(yīng)用必須穩(wěn)定通過最低輸入電壓低至 3V 的冷車發(fā)動和停-啟情況、以及超過 40V 的負(fù)載突降瞬態(tài)。正如在圖 1 中能看到的那樣，這是一款雙通道設(shè)計(jì)，由兩個高壓 4A 通道組成，提供低至 0.8V 的電壓，從而使該器件能夠驅(qū)動目前可用和電壓最低的微處理器內(nèi)核。其同步整流拓?fù)湓?2MHz 開關(guān)頻率時提供高達(dá) 94.4% 的效率，而突發(fā)模式 Burst Mode?) 運(yùn)行在無負(fù)載備用條件下保持靜態(tài)電流低于 6.2μA (兩個通道都接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通系統(tǒng)。

圖 1：LT8650S 原理圖 ─ 在 2MHz 時提供 5V/5A 和 3.3V/4A 輸出

LT8650S 的開關(guān)頻率可以設(shè)定在 300kHz 至 3MHz 范圍內(nèi)，并可同步至這一范圍。其 40ns 最短接通時間允許在高壓通道以 2MHz 開關(guān)頻率進(jìn)行 16VIN 至 2.0VOUT 降壓轉(zhuǎn)換。其獨(dú)特的 Silent Switcher? 2 架構(gòu)使用兩個內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部 BST 和 INTVCC 電容器，以最大限度減小熱環(huán)路面積。LT8650S 的設(shè)計(jì)兼具控制良好的開關(guān)邊沿和一種具整體接地平面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用銅柱代替了接合線，因此顯著降低了 EMI / EMC 輻射。參見圖 2以了解輻射輸出特性。這種改進(jìn)的 EMI / EMC 性能對電路板布局不敏感，從而簡化了設(shè)計(jì)并降低了風(fēng)險，甚至在使用兩層 PC 板時也不例外。LT8650S 在整個負(fù)載范圍內(nèi)以 2MHz 開關(guān)頻率切換時，能夠非常容易地滿足汽車 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制也可用來進(jìn)一步降低 EMI 水平。

圖 2：LT8650S 的輻射 EMI 圖

LT8650S 使用內(nèi)部頂部和底部高效率電源開關(guān)，單個芯片內(nèi)集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式運(yùn)行在低輸出電流時保持高效率，同時保持輸出紋波低于 10mVp-p。最后，LT8650S 采用小型耐熱性能增強(qiáng)型 4mm x 6mm 32 引腳 LGA 封裝。

結(jié)論

可以毫無疑問地說，ADAS 系統(tǒng)在汽車市場的滲透將不會很快結(jié)束。此外，很顯然的是，找到一種滿足所有必要的性能標(biāo)準(zhǔn)以不對 ADAS 系統(tǒng)造成干擾的電源轉(zhuǎn)換器件，不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。幸運(yùn)的是，對這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師而言，凌力爾特公司 (現(xiàn)隸屬 ADI 公司) 的電源產(chǎn)品部提供了 “同類最佳” 的電源轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器極大地簡化了這些設(shè)計(jì)師的任務(wù)，同時無需復(fù)雜的布局或設(shè)計(jì)方法，就可為設(shè)計(jì)師們提供需要的所有性能。