提高信息娛樂(lè)系統(tǒng)功率密度的設(shè)計(jì)考慮

在本文中，我們將討論一些設(shè)計(jì)技術(shù)，以在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

信息娛樂(lè)電源架構(gòu)

許多信息娛樂(lè)電源設(shè)計(jì)遵循類似的架構(gòu)。汽車電池用作電源的輸入，并且由于冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降條件，通常在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。電池為寬輸入電壓降壓轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器輸出中間總線電壓。常見的中間電壓是 5V 或 3.3V 電壓軌。該電源軌為 LDO 和低輸入電壓降壓轉(zhuǎn)換器等下游設(shè)備供電，這些設(shè)備可為各種負(fù)載生成所需的功率。這些負(fù)載的示例包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口、連接模塊和傳感器。輸入濾波器通常添加到電池外降壓轉(zhuǎn)換器的前端，以減輕特定頻率下的 EMI 挑戰(zhàn)。

信息娛樂(lè)應(yīng)用的電源樹示例如圖 1所示。負(fù)載開關(guān)用于寬輸入和低輸入降壓之間的中介。這有助于減少靜態(tài)電流消耗，從而最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。此外，線性穩(wěn)壓器 (LDO) 用于 3.3V/10mA 電源軌。對(duì)于像這樣的低電流軌，為了節(jié)省設(shè)計(jì)成本和空間，使用 LDO 而不是降壓轉(zhuǎn)換器是有意義的。

圖 1電源樹顯示了汽車設(shè)計(jì)中信息娛樂(lè)系統(tǒng)的供電方式。資料來(lái)源：德州儀器

電源設(shè)計(jì)人員用來(lái)增加此類解決方案的功率密度的一些技術(shù)正在利用更高的開關(guān)頻率（考慮并減少設(shè)計(jì)中的主要功率損耗來(lái)源）以及緊湊布局技術(shù)。

開關(guān)頻率和無(wú)源元件尺寸

提高功率密度的一種方法是提高整體解決方案的開關(guān)頻率。在降壓轉(zhuǎn)換器中，電路中的每個(gè)無(wú)源元件在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存儲(chǔ)和釋放能量。在更快的開關(guān)速度下，每個(gè)周期緩沖的能量量將減少。更高的開關(guān)頻率可以產(chǎn)生更小的無(wú)源元件，例如電容器和電感器。由于較小的輸入電壓紋波，可以減小輸入電容。由于環(huán)路帶寬更快，輸出電容也可以降低。

電感與開關(guān)頻率成反比，如下式所示：

L = (V OUT - VI N ) * D) / F sw * ΔI L = V L * D / F sw * ΔI L

其中 L = 電感，D = 占空比，F(xiàn) sw = 開關(guān)頻率，I L = 電感器電流紋波，V L = 電感器兩端的電壓（也可以寫為 V OUT – V IN）。在圖 1 中信息娛樂(lè)電源樹的解決方案中，所有轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為 2.1 MHz。

功率損耗增加

不幸的是，增加開關(guān)頻率是以增加功率損耗為代價(jià)的。每個(gè)穩(wěn)壓器及其相關(guān)組件的功率損耗將決定我們實(shí)際可以增加多少功率密度。圖 2顯示了電源電路中各種外部元件的主要損耗類型。

圖 2電源電路元件中常見的損耗類型。資料來(lái)源：德州儀器

除了優(yōu)化上述外部元件外，在決定使用哪些IC時(shí)還要注意封裝的熱性能。某種封裝的散熱效果越好，您可以承受的功率損失就越大，而不會(huì)看到溫度的極端升高。汽車系統(tǒng)的一個(gè)特殊考慮是選擇符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的器件和無(wú)源元件。這些設(shè)備符合汽車可靠性和穩(wěn)健性要求，并且可以包括用于改善 EMI 的功能，例如擴(kuò)頻調(diào)制。

基本布局技巧

如果放置在不太理想的布局中，即使是設(shè)計(jì)最好的電源解決方案也不會(huì)很好地工作。在原理圖級(jí)別最大限度地提高功率密度后，我們?nèi)匀恍枰獪p輕因零件放置和布線不當(dāng)而可能出現(xiàn)的問(wèn)題。其中之一是EMI。

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，傳導(dǎo)輻射是由電壓隨時(shí)間的變化 (dv/dt) 和開關(guān)動(dòng)作引起的電流隨時(shí)間的變化 (di/dt) 引起的。這些波形包含高次諧波，很容易耦合到電路板上的其他設(shè)備中。隨著我們提高開關(guān)速度，處理 EMI 變得更加復(fù)雜，因?yàn)殡妷夯螂娏魉綍?huì)有更多的突然變化。

圖 3顯示了圖 1 中信息娛樂(lè)電源樹的布局。PCB 組件周圍的彩色框與圖 1 中的框圖顏色相對(duì)應(yīng)。布局的緊湊解決方案尺寸為 1.20 英寸 x 1.06 英寸，未放置任何組件在 PCB 的底部。

圖 3信息娛樂(lè)電源解決方案的布局尺寸為 1.20 英寸 x 1.06 英寸來(lái)源：德州儀器

布置組件時(shí)，請(qǐng)使輸入連接器遠(yuǎn)離任何潛在的噪聲源。這有助于避免通過(guò)寄生元件繞過(guò)前端過(guò)濾。在圖 4 中，輸入連接器以紅色標(biāo)出。EMI 濾波器用粉紅色標(biāo)出，寬輸入轉(zhuǎn)換器輸入電壓用黃色標(biāo)出。濾波器周圍的接地屏蔽還有助于降低 EMI 并將濾波器與其他噪聲組件隔離。

圖 4這就是電源設(shè)計(jì)中 EMI 前端濾波布局的樣子。資料來(lái)源：德州儀器

設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意將降壓轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)環(huán)路中的電感降至最低。該路徑包括輸入電容器、高側(cè) FET、低側(cè) FET 和到輸入電容器的接地回路。在這個(gè)特定的信息娛樂(lè)系統(tǒng)中，四個(gè)負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器 (U4) 之一用作圖 5a 中的示例。輸入電容器 (C19) 和高頻輸入電容器 (C22) 盡可能靠近 IC 放置，以最大限度地減少環(huán)路電感。這些電容器用紅色標(biāo)出，最小化的關(guān)鍵路徑用黃色標(biāo)出。高側(cè)和低側(cè) FET 集成到 IC 中。

圖 5電容器靠近 IC（頂部 5a）放置，而轉(zhuǎn)換器移向右側(cè)（底部 5b）。資料來(lái)源：德州儀器

如圖 5b所示，該轉(zhuǎn)換器和其他類似轉(zhuǎn)換器移向整體解決方案的右側(cè)，以最大限度地提高 EMI 濾波器的效率并增加布局緊湊性。

符合 EMI 要求是電源設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的部分之一。因此，雖然在設(shè)計(jì)中配置濾波器是一種很好的做法，但很可能需要在電路板測(cè)試期間調(diào)整濾波器組件以滿足特定的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

圖 6顯示了為此電源解決方案構(gòu)建和測(cè)試的物理板。

圖 6此 PCB 解決方案是為信息娛樂(lè)電源系統(tǒng)構(gòu)建和測(cè)試的。資料來(lái)源：德州儀器

在圖 7 中，我們展示了電路板的熱圖像，以證明即使布局緊湊，我們也能夠獲得良好的熱效果。在沒有氣流的情況下運(yùn)行電路板 10 分鐘后，最熱溫度為 69.3 °C。查看PMP22648參考設(shè)計(jì)以獲取更多詳細(xì)信息。

圖 7在此電路板頂部的熱圖像中，V IN = 13.5 V 且所有電源軌均處于最大負(fù)載。資料來(lái)源：德州儀器

正如我們?cè)诒疚闹锌吹降模?dāng)今汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)的重點(diǎn)是將解決方案安裝到一個(gè)小區(qū)域，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)高性能。關(guān)注開關(guān)頻率和功率損耗等關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素將使您能夠優(yōu)化各個(gè)組件以實(shí)現(xiàn)緊湊的尺寸。緊隨其后的是采用良好的布局技術(shù)來(lái)減輕 EMI 的主要來(lái)源，這將是實(shí)現(xiàn)高功率密度、高性能解決方案的關(guān)鍵。