汽車(chē) ADAS 需要 EMI / EMC 輻射很低的開(kāi)關(guān)轉換器

背景信息

到 2020 年， 市場(chǎng)預計將達到 600 億美元 [數據來(lái)源：Allied Market Research]。這意味著(zhù)，在 2014 年到 2020 年這個(gè)時(shí)間段內，年復合增長(cháng)率為 22.8%。顯然，這對半導體產(chǎn)品而言，意味著(zhù)巨大的機會(huì )!

ADAS 是 “高級駕駛員輔助系統 (Advanced Driver AssistanceSystems)” 的英文首字母縮略語(yǔ)，在今天的很多新型汽車(chē)中都能經(jīng)常見(jiàn)到。這類(lèi)系統常常方便了安全駕駛，如果系統檢測到來(lái)自周?chē)矬w的風(fēng)險，例如不守規矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車(chē)輛，就會(huì )向駕駛員發(fā)出警報。此外，這類(lèi)系統通常還會(huì )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，在當前這 10 年的后半段，消費者對安全的日益關(guān)注、對駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規，成了汽車(chē) ADAS 增長(cháng)的主要驅動(dòng)力。

這種增長(cháng)的到來(lái)必然伴隨著(zhù)對這個(gè)行業(yè)的挑戰，其中包括價(jià)格壓力、通貨膨脹、測試這類(lèi)系統的復雜性和困難。此外，歐洲是最具創(chuàng )新性的汽車(chē)市場(chǎng)之一，這一點(diǎn)應該不足為奇，因此，歐洲已經(jīng)看到，ADAS 正大舉進(jìn)入市場(chǎng)，歐洲汽車(chē)行業(yè)的客戶(hù)在大量采用 ADAS。不過(guò)，美國和日本汽車(chē)制造商也沒(méi)有很落后。汽車(chē)行業(yè)的最終目標是，提供無(wú)人坐在方向盤(pán)后面的自動(dòng)駕駛汽車(chē)!

系統帶來(lái)的挑戰

一般而言，ADAS 系統中包括某種處理器，以收集來(lái)自汽車(chē)中無(wú)數傳感器的輸入數據，然后處理這些數據，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(lèi)系統通常直接由汽車(chē)的主電池供電，其標稱(chēng)電壓為 9V 至 18V，不過(guò)由于系統中的電壓瞬態(tài)而可能高達 42V，以及在冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下可能低至 3.5V。因此，很顯然的是，這類(lèi)系統中的任何 DC/DC 轉換器最低限度都必須能夠應對 3.5V 至 42V 的寬輸入電壓范圍。

很多 ADAS 系統都是用 5V 和 3.3V 軌給各種模擬和數字 IC 產(chǎn)品供電，然而，通常使用的處理器 I/O 及內核電壓的運行要求卻處于低于 2V 的范圍，而且有可能低至 0.8V。此外，這類(lèi)系統常常安裝在汽車(chē)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。這種變換背后的關(guān)鍵驅動(dòng)力是，需要占板面積更小的解決方案，同時(shí)保持高于 AM 頻段，以避免任何潛在的干擾。

最后，似乎設計師的任務(wù)還不夠復雜，他們還必須確保 ADAS 系統符合汽車(chē)中的各種抗噪聲標準要求。在汽車(chē)環(huán)境中，對有些區域，低熱耗散和高效率是很重要的，在這些區域，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代線(xiàn)性穩壓器。此外，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，因此對整個(gè)轉換器電路的 EMI 性能有很大的影響。

有兩種類(lèi)型的 EMI 輻射：傳導型和輻射型。傳導型輻射依賴(lài)連接產(chǎn)品的導線(xiàn)和走線(xiàn)。既然這種噪聲局限于設計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(guò)良好的布局或濾波器設計，常常在開(kāi)發(fā)過(guò)程相對較早的階段，就能夠確保符合傳導型輻射要求。

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(gè)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(guò)了仔細設計，在系統經(jīng)過(guò)測試之前，電源設計師仍然從來(lái)無(wú)法確知輻射型輻射將會(huì )多嚴重。而且，在設計從根本上完成之前，無(wú)法正式進(jìn)行輻射型輻射測試。

濾波器常常用來(lái)衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強度以降低 EMI。通過(guò)增加金屬屏蔽和磁性屏蔽，可以衰減通過(guò)空間 (輻射型) 傳播的那部分能量。通過(guò)增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以控制依賴(lài) PCB 走線(xiàn) (傳導型) 的那部分能量。EMI 無(wú)法完全消除，但是可以衰減到一個(gè)其他通信和數字組件可以接受的水平。此外，幾個(gè)監管機構也要求執行一些標準，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(kāi)關(guān)穩壓器開(kāi)關(guān)工作頻率提高的速度。開(kāi)關(guān)轉換速度提高，會(huì )使效率提高、最短接通和斷開(kāi)時(shí)間縮短，但是諧波分量增大了。開(kāi)關(guān)頻率每增大一倍，在開(kāi)關(guān)容量和轉換時(shí)間等所有其他參數保持恒定時(shí)，EMI 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)頻率提高 10 倍，輻射就增大 20dB。

熟練的 PCB 設計師將設計很小的熱環(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、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了熱環(huán)路的最小尺寸。使問(wèn)題更加復雜的是，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全面減弱濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越有效。

具低 EMI / EMC 輻射的雙 DC / DC 轉換器

由于上述的應用限制，公司 (最近已被 ADI 收購) 開(kāi)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 在內的汽車(chē)應用，汽車(chē)應用必須穩定通過(guò)最低輸入電壓低至 3V 的冷車(chē)發(fā)動(dòng)和停-啟情況、以及超過(guò) 40V 的負載突降瞬態(tài)。正如在圖 1 中能看到的那樣，這是一款雙通道設計，由兩個(gè)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動(dòng)目前可用和電壓最低的微處理器內核。其同步整流拓撲在 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)提供高達 94.4% 的效率，而突發(fā)模式 Burst Mode?) 運行在無(wú)負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于 6.2μA (兩個(gè)通道都接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通系統。

圖 1：LT8650S 原理圖 ─ 在 2MHz 時(shí)提供 5V/5A 和 3.3V/4A 輸出

LT8650S 的開(kāi)關(guān)頻率可以設定在 300kHz 至 3MHz 范圍內，并可同步至這一范圍。其 40ns 最短接通時(shí)間允許在高壓通道以 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行 16VIN 至 2.0VOUT 降壓轉換。其獨特的 Silent Switcher? 2 架構使用兩個(gè)內部輸入電容器以及內部 BST 和 INTVCC 電容器，以最大限度減小熱環(huán)路面積。LT8650S 的設計兼具控制良好的開(kāi)關(guān)邊沿和一種具整體接地平面的內部結構，并用銅柱代替了接合線(xiàn)，因此顯著(zhù)降低了 EMI / EMC 輻射。參見(jiàn)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(jiǎn)化了設計并降低了風(fēng)險，甚至在使用兩層 PC 板時(shí)也不例外。LT8650S 在整個(gè)負載范圍內以 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率切換時(shí)，能夠非常容易地滿(mǎn)足汽車(chē) CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。擴展頻譜頻率調制也可用來(lái)進(jìn)一步降低 EMI 水平。

圖 2：LT8650S 的輻射 EMI 圖

LT8650S 使用內部頂部和底部高效率電源開(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，LT8650S 采用小型耐熱性能增強型 4mm x 6mm 32 引腳 LGA 封裝。

結論

可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō)，ADAS 系統在汽車(chē)市場(chǎng)的滲透將不會(huì )很快結束。此外，很顯然的是，找到一種滿(mǎn)足所有必要的性能標準以不對 ADAS 系統造成干擾的電源轉換器件，不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。幸運的是，對這類(lèi)系統的設計師而言，凌力爾特公司 (現隸屬 ADI 公司) 的電源產(chǎn)品部提供了 “同類(lèi)最佳” 的電源轉換器，這些轉換器極大地簡(jiǎn)化了這些設計師的任務(wù)，同時(shí)無(wú)需復雜的布局或設計方法，就可為設計師們提供需要的所有性能。