高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 在當(dāng)今的汽車中越來越突出。它們通過最大限度地減少人為錯(cuò)誤來提高駕駛員和道路的安全性。早期的 ADAS 僅包含一個(gè)自動(dòng)駕駛輔助功能,例如使用一個(gè)雷達(dá)傳感器的自適應(yīng)巡航控制。現(xiàn)在,更多的 ADAS 功能正在被添加到汽車中,例如自動(dòng)緊急停車、盲點(diǎn)監(jiān)控、車輛/行人警告和避讓、車道偏離警告和輔助等。
由于傳感器和攝像頭數(shù)量的增加、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算以及超高速通信,ADAS 的發(fā)展意味著這些新型車輛需要比以往任何時(shí)候都消耗更多的電力。例如,第一代 ADAS 片上系統(tǒng) (SoC),如 2007 年推出的 Mobileye EyeQ,功耗僅為 2 至 3 W。新發(fā)布的 ADAS SoC,如 Nvidia Xavier,功耗為 20 W 至 30 W。 W 或更多,因?yàn)樗鼈兙哂袕?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力。
ADAS 的電源來自 12V 電池。它首先轉(zhuǎn)換為 5V 或 3.3V 中間電源軌,然后轉(zhuǎn)換為 SoC 內(nèi)核、接口、外設(shè)等所需的不同低壓。由于 ADAS SoC 的功耗增加,中間軌轉(zhuǎn)換器應(yīng)該能夠輸出 10A 或更多電流以滿足該要求。
設(shè)計(jì)大電流中間電源的傳統(tǒng)解決方案是使用降壓控制器。然而,由于需要外部 MOSFET,這種方法的總解決方案尺寸很大。因此,將控制器電源解決方案安裝在狹窄的空間中是一項(xiàng)挑戰(zhàn),這是 ADAS 應(yīng)用的常見情況。
車輛中開關(guān)電源的另一個(gè)問題是電磁輻射。電源設(shè)計(jì)人員需要應(yīng)對嚴(yán)格的輻射和傳導(dǎo)電磁輻射限制所帶來的挑戰(zhàn),這些限制在汽車行業(yè)是強(qiáng)制性的。隨著功耗的增加,這些電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)變得更加難以滿足。為了滿足功率、尺寸和電磁輻射的限制,ADI 公司開發(fā)了兩款 42V 大電流單片 Silent Switcher 穩(wěn)壓器:LT8638S和LT8648S。
ADI 公司提出了一種使用這些大電流單片降壓穩(wěn)壓器的方法,作為應(yīng)對這些 ADAS 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的可能解決方案。
采用 LT8638S 的緊湊型 10A/12A 峰值功率解決方案
LT8638S 是一款 42V、10A、單通道降壓穩(wěn)壓器,它在一個(gè) 4 × 5mm LQFN 封裝上包含所有控制電路和 MOSFET。其輸出電流可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到 12 A。LT8638S 穩(wěn)壓器是緊湊型 10A 中間電源軌的理想選擇。圖 1 顯示了典型的 5V/10A LT8638S 原理圖。LT8638S 穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率可在 200kHz 至 3MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
圖 1:使用 LT8638S 穩(wěn)壓器的 5V/10A 電源(來源:Analog Devices)
表 1 列出了 400kHz LT8638S 電路和 2MHz LT8638S 電路的主要組件。
表 1:圖 1 原理圖的組件(來源:Analog Devices)
圖 2 顯示了 LT8638S 在DC2929A演示板上的效率和溫升,分別為 400 kHz 和 2 MHz。LT8638S 穩(wěn)壓器的溫升僅為 60°C,在 2MHz 開關(guān)頻率下輸出功率為 50W。在 10A 負(fù)載下,2MHz 和 400kHz 之間的效率差異在 1.5% 以內(nèi)。
圖 2:圖 1 電路的效率和溫升(來源:Analog Devices)
比較 LT8638S 400kHz 電路和 LT8638S 2MHz 電路,400kHz 時(shí)的電感器占位面積是 2MHz 電感器的 2.5 倍,400kHz 時(shí)的輸出電容器是 2MHz 輸出電容器的 3 倍. 因此,對于尺寸和成本敏感的應(yīng)用,2MHz 開關(guān)頻率是首選。
阻止電源設(shè)計(jì)工程師使用 2 MHz 的主要問題是效率和熱性能,因?yàn)樵诟唛_關(guān)頻率下開關(guān)損耗會(huì)顯著增加。LT8638S 通過快速開關(guān)邊沿最大限度地減少開關(guān)損耗來緩解這些擔(dān)憂,如圖 3 所示。
圖 3:LT8638S 在 12V 輸入和 10A 負(fù)載下的開關(guān)邊沿(來源:Analog Devices)
快速開關(guān)邊沿有利于高開關(guān)頻率下的效率,但可能會(huì)惡化電磁輻射 (EMI)。LT8638S 配備 Silent Switcher 架構(gòu),使其能夠以小得多的解決方案尺寸以快速開關(guān)邊沿和顯著低的 EMI 運(yùn)行。
圖 4 顯示了一個(gè)超低 EMI 2MHz LT8638S 電路。為實(shí)現(xiàn)最佳 EMI 性能,穩(wěn)壓器通過將 SYNC/MODE 引腳與 INTV CC引腳連接,在擴(kuò)頻模式下運(yùn)行。
圖 4:超低 EMI LT8638S 電路(來源:Analog Devices)
圖 5 顯示了圖 4 電路的 LT8638S 輻射,測試設(shè)置在 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)中定義。紅線代表 CISPR 25 Class 5 限制,這是汽車行業(yè)最嚴(yán)格的排放規(guī)范。如圖 4 所示,只需很少的附加組件即可生成輸入濾波器,LT8638S 就可以滿足 CISPR 25 Class 5 嚴(yán)格的峰值和平均限制。
圖 5:圖 4 電路的輻射 EMI 和傳導(dǎo) EMI(12V 輸入至 3.3V 輸出,10A)(來源:Analog Devices)
使用 LT8648S 的更高電流單片電源解決方案
復(fù)雜的 ADAS 需要多個(gè) SoC,以及多個(gè)攝像頭和傳感器。例如,免提 ADAS 可以包括多個(gè)耗電芯片和多達(dá) 11 個(gè)攝像頭。LT8648S 具有比 LT8638S 更高的輸出電流能力。它適合復(fù)雜 ADAS 所需的中間電源軌。作為一款單片 42V、15A 降壓穩(wěn)壓器,LT8648S 的輸出電流和功率電平接近于使用外部 MOSFET 的電源控制器解決方案。通過將多個(gè) LT8648S 穩(wěn)壓器并聯(lián)在一起,可以進(jìn)一步擴(kuò)展其電流能力。
圖 6 展示了使用兩個(gè)并聯(lián)的 LT8648S 器件的 3.3V/25A、2MHz 原理圖。兩個(gè) LT8648S 穩(wěn)壓器具有共同的輸入和輸出。連接 EN/UV 和 SS 引腳以確保兩個(gè)穩(wěn)壓器以相同的壓擺率同時(shí)啟動(dòng)。LT8648S 使用峰值電流模式控制,這使得誤差放大器輸出與負(fù)載電流相關(guān)的V C電壓。通過連接 V C和 FB 引腳,兩個(gè)并聯(lián)的 LT8648S 器件可以實(shí)現(xiàn)良好的電流平衡,而無需額外的電路。U1 LT8648S 的 CLKOUT 引腳連接到 U2 LT8648S 的 SYNC/MODE 引腳。通過這種連接,兩個(gè) LT8648S 穩(wěn)壓器以 180° 相移同步。
圖 6:使用兩個(gè)并聯(lián) LT8648S 穩(wěn)壓器的 2MHz、3.3V/25A 應(yīng)用(來源:Analog Devices)
圖 7 顯示了圖 6 電路的效率和溫升。U1 和 U2 的溫度幾乎相同,這表明在這種并聯(lián)應(yīng)用中電流平衡良好。高開關(guān)頻率和外部補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。
圖 7:圖 6 所示電路的效率和溫升(來源:Analog Devices)
圖 8 顯示了圖 6 所示電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
圖 8:圖 6 所示電路的 10A 至 20A 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)(來源:Analog Devices)
結(jié)論
本文介紹了兩款大電流 42V 單片 Silent Switcher 穩(wěn)壓器 LT8638S 和 LT8648S。它們的高效率和超低排放緩解了惡劣汽車應(yīng)用環(huán)境中的熱和 EMI 問題。憑借集成 MOSFET,LT8638S 和 LT8648S 穩(wěn)壓器為快速擴(kuò)展的汽車 ADAS 應(yīng)用所需的大電流中間電源提供了一個(gè)小解決方案尺寸。
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