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汽車(chē)設計需要低EMI同步降壓型轉換器
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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由于汽車(chē)中持續增加電子系統以提高安全性、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(chē)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(zhù)汽車(chē)中 EMI 敏感系統的激增，降低開(kāi)關(guān)電源的 EMI 是至關(guān)重要，這些都給開(kāi)關(guān)穩壓器 IC的 設計帶來(lái)了更多的挑戰。根據市場(chǎng)研究機構Strategy Analytics的調查指出，未來(lái) 7 年，這些需求將使半導體器件以每年 5% 的平均年復合增長(cháng)率 (CAAGR) 增長(cháng)，到 2021 年，總體市場(chǎng)規模將超過(guò) 410 億美元，而 2014 年這一數字為 289 億美元，其中，超過(guò) 40% 的收入將來(lái)自于對微控制器和電源半導體器件的需求。
同時(shí)，Strategy Analytics 對汽車(chē)中電子系統的增長(cháng)提供了非常量化的預測，不過(guò)更有趣的是，在這種增長(cháng)中，電源 IC 發(fā)揮了重要的作用，這類(lèi)新型電源 IC 設計必須具備以下特點(diǎn)：
(1)在很寬的電壓范圍內提供可靠的性能，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(xiàn)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)現始終保持接通系統 (例如安保、環(huán)境控制和信息娛樂(lè )系統) 在引擎 (交流發(fā)電機) 不運轉的情況下維持工作狀態(tài)，且不會(huì )消耗汽車(chē)的電池電量
提高電源 IC 性能的目的是，實(shí)現日益復雜和大量的電子系統設計。在汽車(chē)的每一個(gè)方面都能看到驅動(dòng)這種增長(cháng)的應用，例如，新型安全行車(chē)系統，這包括車(chē)道監視、自適應安全行車(chē)控制、自動(dòng)轉向和前燈調光。信息娛樂(lè )系統 (車(chē)載多媒體系統) 也在持續演變，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，該系統還必須支持日益增加的云應用。先進(jìn)的引擎管理系統具備停 / 啟系統和大量采用電子產(chǎn)品的變速器和引擎控制系統，還有旨在同時(shí)提高性能、行車(chē)安全和舒適度的傳動(dòng)系統以及底盤(pán)管理系統。十 年前，這些系統僅出現在高端豪華型汽車(chē)中，但今天在每個(gè)制造商的汽車(chē)中都屬于常見(jiàn)系統，這進(jìn)一步加速了汽車(chē)電源 IC 的增長(cháng)。圖 1 顯示了目前汽車(chē)中通常能夠見(jiàn)到的大量電子系統。
圖 1 汽車(chē)中的電子系統在激增
汽車(chē)系統中的瞬態(tài)
盡管汽車(chē)中的電池總線(xiàn)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(chē)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(xiàn)電壓高達 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化的情況下準確地調節輸出。在冷車(chē)發(fā)動(dòng)/停-啟和拋載時(shí)，單節鉛酸電池的寬臨時(shí)電壓擺幅如圖 2 所示。請注意，合適的電源 IC (這里是 LT8640) 在出現上述情況時(shí)準確地調節了 3.3V 輸出。
圖 2 在 36V 負載突降瞬態(tài)和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下 LT8640 的表現
20V/DIV：每格 20V
LOAD DUMP：負載突降
COLD CRANK：冷車(chē)發(fā)動(dòng)
低EMI工作
因為汽車(chē)電氣環(huán)境有固有噪聲，而很多應用對電磁干擾 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，開(kāi)關(guān)穩壓器不能加重 EMI 問(wèn)題。由于一般情況下，開(kāi)關(guān)穩壓器是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，所以無(wú)論下游轉換器性能如何，開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )對總體轉換器 EMI 性能產(chǎn)生顯著(zhù)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、測試和制造更加復雜。電源管理IC 內部可以采取的另一種解決方案是降低內部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(cháng)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。幸運的是，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了一些獨特的電源 IC 設計，以同時(shí)實(shí)現快速開(kāi)關(guān)頻率、非常高的效率和很短的最短接通時(shí)間。這些設計一般具備低 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，從而在開(kāi)關(guān)穩壓器設計領(lǐng)域實(shí)現了重要突破。
高效率工作
汽車(chē)應用中電源管理 IC 高效率工作非常重要，原因有二，首先，電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。因為熱量是任何電子系統長(cháng)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)現冷卻，從而增大了整體解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車(chē)中，浪費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計還是相互排斥的，因為所需要的 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(lèi)控制器采用外部 MOSFET 實(shí)現同步整流。然而，與單片解決方案相比，對低于 25W 的應用而言，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，現在市場(chǎng)上已經(jīng)出現了可通過(guò)內部同步整流同時(shí)提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。
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