如何為車載ADAS設(shè)計(jì)更好的大電流開關(guān)電源

所有汽車制造商都在加強(qiáng)其ADAS，以協(xié)助駕駛員駕駛和停車。不斷發(fā)展的 ADAS 消耗的功率比其前身多。因此，低電流開關(guān)穩(wěn)壓器無法再滿足這種不斷增長(zhǎng)的功率要求。本文建議采用兩種高電流單片式靜音開關(guān)穩(wěn)壓器LT8638S和LT8648S作為可能的解決方案。介紹了兩種穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路。效率、溫度和輻射測(cè)試結(jié)果表明，LT8638S和LT8648S是快速發(fā)展的ADAS的理想電源候選者。?

介紹

高級(jí)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只包括一個(gè)自動(dòng)駕駛員輔助功能，例如使用一個(gè)雷達(dá)傳感器的自適應(yīng)巡航控制?，F(xiàn)在，更多的ADAS功能被添加到汽車中，例如自動(dòng)緊急泊車，盲人運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，車輛/行人警告和避讓，車道偏離警告和輔助等。ADAS的發(fā)展意味著這些新車需要消耗比以往更多的電力，因?yàn)閭鞲衅骱蛿z像頭的數(shù)量增加，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。例如，第一代ADAS片上系統(tǒng)（SoC），如2008年的Mobileeye EyeQ，僅消耗2 W至~3 W.新發(fā)布的ADAS SoC，如NVIDIA Xavier?，由于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力，消耗20 W至~30 W或更多。ADAS的電源來自12 V電池。它首先轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V中間電源軌，然后轉(zhuǎn)換為SoC內(nèi)核、接口、外設(shè)等所需的不同低電壓。由于ADAS SoC的功耗增加，中間軌轉(zhuǎn)換器應(yīng)該能夠輸出 10 A 或更高以滿足該要求。?

設(shè)計(jì)高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，該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到密閉空間中具有挑戰(zhàn)性，這是汽車中ADAS應(yīng)用的常見情況。車輛開關(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(duì)嚴(yán)格的輻射和傳導(dǎo)電磁輻射限制帶來的挑戰(zhàn)，這是汽車行業(yè)的強(qiáng)制性要求。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42 V高電流單芯片靜音開關(guān)穩(wěn)壓器：LT8638S和LT8648S。

采用LT8638S的緊湊型10 A/12 A峰值電源解決方案

LT8638S是一款42 V、10 A、單通道降壓穩(wěn)壓器，包括采用4 mm×5 mm LQFN封裝的所有控制電路和MOSFET。其輸出電流可以 短時(shí)間可達(dá) 12 A。LT8638S是緊湊型10 A中間電源軌的理想之選。圖1顯示了典型的5 V/10 A LT8638S原理圖。LT8638S穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率可在200 kHz至3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 表1列出了400 kHz LT8638S電路和2 MHz LT8638S電路的主要元件。圖2顯示了演示板上LT8638S在DC2929A上的效率和溫升，分別為400 kHz和2 MHz。

圖1.采用LT8638S的5 V/10 A電源。

圖2.圖1電路的效率和溫升

將LT8638S 400 kHz電路與LT8638S 2 MHz電路進(jìn)行比較，400 kHz的電感占位面積是2 MHz電感的2.5倍，輸出電容 對(duì)于 400 kHz 是 2 MHz 輸出電容的 3 倍。因此，對(duì)于尺寸和成本敏感的應(yīng)用，首選2 MHz開關(guān)頻率。阻礙電源設(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通過以下方式平息了這些問題 通過快速開關(guān)邊沿最大限度地降低開關(guān)損耗，如圖3所示。在圖 2 中，LT8638S 的溫升僅為 60°C，輸出功率為 50 W。 2 MHz 開關(guān)頻率。在10 A負(fù)載下，2 MHz和400 kHz之間的效率差在1.5%以內(nèi)。

圖3.LT8638S開關(guān)邊沿為12 V輸入和10 A負(fù)載。

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)加重電磁輻射。LT8638S 配備 靜音開關(guān)電源架構(gòu)，使其能夠以更小的解決方案尺寸同時(shí)具有快速開關(guān)邊沿和顯著低的 EMI。圖 4 顯示了一個(gè) 超低 EMI 2 MHz LT8638S 電路。為實(shí)現(xiàn)最佳 EMI 性能，穩(wěn)壓器通過連接 SYNC/MODE 引腳在擴(kuò)頻模式下工作 與英視抄送針。圖5顯示了圖4電路的LT8638S輻射，測(cè)試設(shè)置在CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)中定義。紅線代表CISPR 25 5類 限值，這是汽車行業(yè)最嚴(yán)格的排放規(guī)范。如圖4所示，只需極少的附加元件即可產(chǎn)生輸入濾波器，LT8638S能夠滿足CISPR 25 Class 5的嚴(yán)格峰值和平均限值。

圖4.超低EMI LT8638S電路。

圖5.圖4電路的輻射EMI和傳導(dǎo)EMI（10 A時(shí)為12 V輸入至3.3 V輸出）。

采用LT8648S的高電流單片式電源解決方案

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可能包括多個(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。它適合那些復(fù)雜的ADAS所需的中間電源軌。 作為單芯片42 V、15 A降壓穩(wěn)壓器，LT8648S的輸出電流和功率電平接近使用外部MOSFET的功率控制器解決方案。通過將多個(gè)LT8648S并聯(lián)在一起，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其電流能力。

圖6顯示了使用兩個(gè)LT8648S器件并聯(lián)的3.3 V/25 A、2 MHz原理圖。兩個(gè) LT8648S 穩(wěn)壓器具有公共輸入和輸出。EN/UV 和 SS 引腳連接，以確保兩個(gè)穩(wěn)壓器以相同的壓擺率同時(shí)啟動(dòng)。LT8648S采用峰值電流模式控制，使誤差放大器輸出VC電壓與負(fù)載電流相關(guān)。 通過連接 VC和FB引腳，兩個(gè)并聯(lián)的LT8648S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 的同步/模式引腳。通過這種連接，兩個(gè)LT8648S穩(wěn)壓器以180°相移同步。

圖6.2 MHz 3.3 V/25 A應(yīng)用，采用兩個(gè)并聯(lián)的LT8648S。

圖7顯示了圖6電路的效率和溫升。U1 和 U2 具有幾乎相同的溫度，這表明在 此并行應(yīng)用程序。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8顯示了圖6所示電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7.電路的效率和溫升如圖6所示。

圖8.10 A至20 A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，電路如圖6所示。

結(jié)論

本文介紹兩款高電流42 V單芯片靜音開關(guān)穩(wěn)壓器LT8638S和LT8648S。它們的高效率和超低輻射緩解了惡劣汽車應(yīng)用環(huán)境下的熱和EMI問題。憑借集成的MOSFET，LT8638S和LT8648S為快速擴(kuò)展的汽車ADAS所需的高電流中間電源提供了小尺寸的解決方案。

審核編輯：郭婷