低EMI/EMC輻射的開(kāi)關(guān)轉換器可減輕ADAS設計負擔

作者 / Tony Armstrong ADI公司 電源產(chǎn)品部 產(chǎn)品市場(chǎng)總監

摘要：本文介紹了一種帶低 EMI/EMC 輻射的開(kāi)關(guān)轉換器——Silent Switcher 2 DC/DC轉換器，以減輕 工程師在設計汽車(chē)ADAS系統時(shí)的負擔。

引言

　　高級駕駛員輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)在如今很多新型轎車(chē)和卡車(chē)中已經(jīng)比較常見(jiàn)。這類(lèi)系統通常更容易實(shí)現安全駕駛，而且如果系統檢測到來(lái)自周?chē)矬w的風(fēng)險，例如行為不當的行人、騎行者甚至其他行駛方向不安全的車(chē)輛等，還能夠提醒駕駛員。此外，這類(lèi)系統一般提供動(dòng)態(tài)功能，例如自適應巡航控制、盲點(diǎn)檢測、車(chē)道偏離警告、駕駛員犯困監視、自動(dòng)剎車(chē)、牽引力控制和夜視。因此，對當前這個(gè)10年的后半段而言，消費者越來(lái)越關(guān)注安全問(wèn)題、提高駕駛舒適度的需求以及政府安全監管的日益加強，是汽車(chē)中ADAS增長(cháng)的主要驅動(dòng)因素。

　　這種增長(cháng)伴隨著(zhù)對業(yè)界的挑戰而來(lái)，包括價(jià)格壓力、通貨膨脹及這類(lèi)系統的測試復雜性和難以測試。此外，歐洲汽車(chē)行業(yè)是最具創(chuàng )新性的汽車(chē)行業(yè)之一，因此，ADAS大舉進(jìn)入歐洲市場(chǎng)、歐洲客戶(hù)大量采用這類(lèi)系統就不足為奇了。不過(guò)，美國和日本的汽車(chē)制造商并未落后很多。汽車(chē)行業(yè)的終極目標是提供自主駕駛汽車(chē)。

系統面臨的挑戰

　　一般而言，ADAS系統采用某種處理器來(lái)收集汽車(chē)中無(wú)數傳感器提供的所有輸入信息，然后處理這些信息，以便能夠方便地、以駕駛員非常容易理解的方式將信息呈現給駕駛員。此外，這類(lèi)系統通常直接由汽車(chē)的主電池供電，汽車(chē)中主電池的標稱(chēng)電壓為9V至18V，但是由于系統內的電壓瞬態(tài)，這一電壓可能高達42V，而在冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下可能低至3.4V。因此，這類(lèi)系統中的任何DC/DC轉換器都必須至少能夠應對3.4V至42V的寬輸入電壓范圍。此外，很多雙電池系統，例如卡車(chē)中常見(jiàn)的那類(lèi)雙電池系統，甚至需要更寬的輸入范圍，因此將電壓范圍的上限推高至65V。結果，有些ADAS制造商將其系統設計為可涵蓋3.4~65V輸入電壓范圍，以便其系統既能夠用在轎車(chē)中，也能夠用在卡車(chē)中，同時(shí)在制造過(guò)程中獲得規模經(jīng)濟性。

　　很多ADAS系統用5V和3.3V軌為各種模擬和數字IC組件供電，相應地，這類(lèi)系統的制造商喜歡使用單個(gè)轉換器同時(shí)應對單電池和雙電池配置。此外，這類(lèi)系統通常安裝在車(chē)輛的某一部分上，而汽車(chē)在空間和熱量方面都受到限制，因此限制了實(shí)現冷卻的散熱能力。盡管用高壓DC/DC轉換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V軌較常見(jiàn)，但是在如今的ADAS系統中，開(kāi)關(guān)穩壓器還必須以2MHz或更高的頻率切換，而不是過(guò)去低于500kHz的開(kāi)關(guān)頻率。這種變化背后的關(guān)鍵驅動(dòng)力是，需要占板面積更小的解決方案，同時(shí)頻率保持高于A(yíng)M頻段以避免潛在的干擾。

　　此外，設計師還必須確保ADAS系統符合汽車(chē)中各種抗噪聲標準的要求。在汽車(chē)環(huán)境中，低熱量和高效率對有些區域很重要，在這些區域，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代線(xiàn)性穩壓器。另外，開(kāi)關(guān)穩壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，因而對整個(gè)轉換器電路的EMI性能有重大影響。

　　EMI輻射有兩種類(lèi)型：傳導型和輻射型。傳導型輻射依靠連接產(chǎn)品的導線(xiàn)和走線(xiàn)傳播。既然噪聲位于設計中特定的端子或連接器處，那么正如已經(jīng)提到的那樣，采用良好的布局或濾波器設計，常?？梢栽陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，相對較早地確保滿(mǎn)足傳導型輻射要求。

　　然而，輻射型EMI則完全另當別論了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線(xiàn)都是一個(gè)天線(xiàn)，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或DC電壓，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。甚至經(jīng)過(guò)仔細設計，電源設計師仍然無(wú)法確知，輻射型EMI會(huì )有多嚴重，直到系統經(jīng)過(guò)測試才知道。而且，在設計從根本上完成之前，不能正式進(jìn)行輻射型EMI測試。

　　濾波器可以衰減某一頻率或一系列頻率上的EMI強度，因此常常用來(lái)降低EMI。增加金屬和磁屏蔽，可以衰減一部分通過(guò)空間傳播的(輻射型)EMI能量。依靠PCB走線(xiàn)傳播的部分(傳導型)可以通過(guò)增加鐵氧體珠和其他濾波器來(lái)控制。EMI不可能消除，但是可以衰減至其他通信和數字組件可接受的水平。另外，幾家監管機構要求執行一些標準以確保符合EMI要求。

　　采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件之性能比通孔式組件高。不過(guò)，這種改進(jìn)被開(kāi)關(guān)穩壓器日益提高的開(kāi)關(guān)工作頻率抵消了。更高的效率、較短的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間實(shí)現了更快速的開(kāi)關(guān)轉換，因此導致更高的諧波分量。開(kāi)關(guān)容量、轉換時(shí)間等其他所有參數保持不變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，EMI就惡化6dB。寬帶EMI的表現就像一個(gè)一階高通濾波器，如果開(kāi)關(guān)頻率增大10倍，輻射就增加20dB。

　　精明的PCB設計師會(huì )使熱環(huán)路很小，并使屏蔽接地層盡可能靠近有源層。然而，去耦組件存儲充足的能量所需的器件引腳布局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問(wèn)題進(jìn)一步復雜化的是，在典型的平面印刷電路板中，走線(xiàn)之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將減少所有濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就越有影響力。

具低EMI輻射的高壓DC/DC轉換器

　　由于上述應用限制，ADI公司開(kāi)發(fā)了Powerby Linear? LT8645S，這是一款高輸入電壓?jiǎn)纹浇祲盒娃D換器，而且其具有低EMI輻射。3.4V至65V輸入電壓范圍使該器件非常適合包括ADAS在內的轎車(chē)和卡車(chē)應用，因為這類(lèi)應用必須穩定應對最低輸入電壓低至3.4V的冷車(chē)發(fā)動(dòng)和停-啟情況，以及超過(guò)60V的拋載瞬變情況。圖1所示是一個(gè)單通道設計，在5V時(shí)提供8A輸出。其同步整流拓撲在2MHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)提供高達94%的效率，而突發(fā)模式(Burst Mode?) 運行在無(wú)負載備用情況下保持靜態(tài)電流低于2.5μA，因此該器件非常適合始終保持接通系統。

　　LT8645S的開(kāi)關(guān)頻率可在200kHz至2.2MHz范圍內設定，并在整個(gè)范圍內可同步。其獨特的Silent Switcher? 2架構集成了內部輸入電容器以及內部BST和INTVCC電容器，以減小解決方案占板面積。再加上得到良好控制的開(kāi)關(guān)邊沿以及具整體接地平面并用銅柱取代接合線(xiàn)的內部結構，LT8645S的設計顯著(zhù)降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設計在任何印刷電路板(PCB)上都能夠提供可靠的EMI性能，包括在雙層PCB。而且與其他可比較轉換器相比，該器件對PCB布局的敏感性低得多。之所以能夠達到這種全新的性能水平，是因為L(cháng)T8645S的內部有雙輸入、BST和INTVCC電容器，這些電容器最大限度減小了熱環(huán)路面積。該器件仍然需要兩個(gè)外部輸入電容器，但是盡可能靠近輸入引腳放置這一要求卻極大地放寬了。與最大限度減小熱環(huán)路面積的內部電容器相結合，BT襯底集成的接地平面顯著(zhù)改善了EMI性能。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的布局，同時(shí)支持較大的接地散熱焊盤(pán)。

　　LT8645S可在整個(gè)負載范圍內非常容易地滿(mǎn)足汽車(chē)CISPR25、Class 5 EMI限制(參見(jiàn)圖2)。該器件還提供擴展頻譜頻率調制，以進(jìn)一步降低EMI水平。LT8645S采用內部頂端和底端高效率電源開(kāi)關(guān)，單個(gè)芯片內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(Burst Mode)運行在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于10mVp-p。最后，LT8645S采用小型耐熱增強型4mm x 6mm 32引腳LQFN封裝。

結論

　　ADAS系統在轎車(chē)和卡車(chē)中的激增不會(huì )很快結束。另外，也很顯然的是，要找到合適的、滿(mǎn)足所有必要性能要求的電源轉換器件以避免對ADAS系統造成干擾并不是個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。這類(lèi)汽車(chē)系統的設計師現在可以使用ADI公司Silent Switcher 2 DC/DC轉換器提供的高性能功能。這些轉換器不僅極大地簡(jiǎn)化了電源設計師的任務(wù)，同時(shí)無(wú)需復雜的布局或設計方法，就能夠提供全部所需性能。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。