低EMI/EMC輻射開關(guān)轉(zhuǎn)換器簡化了ADAS設(shè)計

ADAS是高級駕駛輔助系統(tǒng)的首字母縮寫，在當(dāng)今許多新汽車和卡車中都很常見。這些系統(tǒng)通常有助于安全駕駛，如果系統(tǒng)檢測到周圍物體的風(fēng)險，例如錯誤的行人、騎自行車的人，甚至是不安全軌道上的其他車輛，可以為駕駛員提供警報！此外，這些系統(tǒng)通常提供動態(tài)功能，如自適應(yīng)巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員睡意監(jiān)控、自動制動、牽引力控制和夜視。因此，消費者對安全性的日益關(guān)注、對駕駛舒適性的需求以及政府安全法規(guī)的持續(xù)增加是本十年后半期汽車ADAS的主要增長動力。

這種增長對行業(yè)來說并非沒有挑戰(zhàn)，包括定價壓力、通貨膨脹、復(fù)雜性和測試這些系統(tǒng)的難度。此外，毫不奇怪，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一，因此，它已經(jīng)看到了客戶對ADAS的主要市場滲透和采用。盡管如此，美國和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是一臺自動駕駛機(jī)器，不需要有人在方向盤后面！

系統(tǒng)挑戰(zhàn)

一般來說，ADAS集成了某種微處理器，以收集來自車輛內(nèi)眾多傳感器的所有輸入，然后對其進(jìn)行處理，以便能夠以易于理解的方式輕松呈現(xiàn)給駕駛員。此外，這些系統(tǒng)通常直接由車輛的主電池供電，汽車中的標(biāo)稱電壓為9 V至18 V，但由于系統(tǒng)內(nèi)的電壓瞬變，可能高達(dá)42 V，在冷啟動條件下低至3.4 V。因此，這些系統(tǒng)中的任何DC-DC轉(zhuǎn)換器都必須能夠處理至少3.4 V至42 V的寬輸入電壓范圍。此外，許多雙電池系統(tǒng)（例如卡車中常見的雙電池系統(tǒng)）需要更寬的輸入范圍，將上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計為覆蓋3.4 V至65 V輸入范圍，以便可用于汽車或卡車;同時在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

許多ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數(shù)字IC內(nèi)容供電;相應(yīng)地，此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個轉(zhuǎn)換器來同時處理單電池和雙電池配置。此外，該系統(tǒng)通常安裝在車輛空間和熱受限的部件中，從而限制了可用于冷卻目的的散熱器。雖然使用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生5 V和3.3 V電源軌是司空見慣的，但在當(dāng)今的ADAS中，開關(guān)穩(wěn)壓器也必須以2 MHz或更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，而不是低于500 kHz的歷史開關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動力是需要更小的解決方案尺寸，同時還要保持在AM頻段以上，以避免任何潛在的干擾。

此外，如果設(shè)計人員的任務(wù)還不夠復(fù)雜，他們還必須確保ADAS符合車輛內(nèi)的各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車環(huán)境中，開關(guān)穩(wěn)壓器正在重視低散熱和效率的領(lǐng)域取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源元件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有重大影響。

EMI發(fā)射有兩種類型：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)輻射依賴于連接到產(chǎn)品的電線和走線。由于噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器，因此通過良好的布局或濾波器設(shè)計，通?？梢栽陂_發(fā)過程的相對較早的階段確保符合傳導(dǎo)輻射要求。

然而，輻射發(fā)射完全是另一回事。電路板上承載電流的所有東西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是天線，每個銅平面都是諧振器。除純正弦波或直流電壓外，任何東西都會在整個信號頻譜中產(chǎn)生噪聲。即使經(jīng)過精心設(shè)計，電源設(shè)計人員在系統(tǒng)測試之前也永遠(yuǎn)不會真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕，并且在設(shè)計基本完成之前無法正式執(zhí)行輻射發(fā)射測試。

濾波器通常用于通過在一定頻率或一定頻率范圍內(nèi)衰減強(qiáng)度來降低EMI。通過空間傳播的能量的一部分（輻射）通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來馴服位于PCB走線（導(dǎo)電）上的部分。EMI無法消除，但可以衰減到其他通信和數(shù)字組件可接受的水平。此外，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以確保合規(guī)性。

采用表面貼裝技術(shù)的現(xiàn)代輸入濾波器元件比通孔器件具有更好的性能。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器工作開關(guān)頻率的增加超過了這種改進(jìn)。更高的效率、更低的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間由于開關(guān)轉(zhuǎn)換速度更快，導(dǎo)致更高的諧波含量。開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會降低6 dB，而所有其他參數(shù)（如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間）保持不變。寬帶EMI的行為類似于一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率增加10倍，則發(fā)射將高出20 dB。

精明的PCB設(shè)計人員將使熱回路變小，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，器件引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計要求以及去耦元件中充分儲能所需的封裝尺寸決定了最小熱回路尺寸。更復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，30 MHz以上走線之間的磁性或變壓器式耦合將減少所有濾波器工作，因為諧波頻率越高，不需要的磁耦合就越有效。

具有低EMI輻射的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

正是由于前面描述的應(yīng)用限制，ADI公司的Power by Linear? Group開發(fā)了LT8645S，這是一款支持高輸入電壓的單片式同步降壓轉(zhuǎn)換器，還具有低EMI輻射。其 3.4 V 至 65 V 輸入電壓范圍使其成為汽車和卡車應(yīng)用的理想選擇，包括 ADAS，這些應(yīng)用必須在冷啟動和啟停情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，最小輸入電壓低至 3.4 V，拋負(fù)載瞬變超過 60 V。如圖1所示，該器件采用單通道設(shè)計，在5 V時提供8 A輸出。其同步整流拓?fù)湓?2 MHz 開關(guān)頻率下提供高達(dá) 94% 的效率，而突發(fā)模式操作可在空載待機(jī)條件下將靜態(tài)電流保持在 2.5 μA 以下，使其成為始終接通系統(tǒng)的理想選擇。?

圖1.LT8645S原理圖在2 MHz時提供5 V/8 A輸出。

LT8645S的開關(guān)頻率可在200 kHz至2.2 MHz范圍內(nèi)編程，并在整個范圍內(nèi)同步。其獨特的靜音切換器 2 架構(gòu)集成了內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部 BST 和 INTV?抄送電容器，以減少解決方案的占位面積。結(jié)合控制良好的開關(guān)邊沿和具有集成接地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及使用銅柱代替鍵合線，LT8645S 的設(shè)計大大降低了 EMI 輻射。此外，其靜音切換器 2 設(shè)計還可在任何印刷電路板 （PCB） 上提供強(qiáng)大的 EMI 性能，包括 2 層 PCB。此外，與其他同類轉(zhuǎn)換器相比，它對PCB布局的敏感性要低得多。這種新的性能水平歸功于LT8645S的內(nèi)部雙輸入BST和INTV抄送最小化熱回路面積的電容器。它仍然需要雙路外部輸入電容，但將它們放置在盡可能靠近輸入引腳的要求大大放寬。結(jié)合內(nèi)部電容，最大限度地減少了熱回路的面積，BT基板的集成接地層顯著改善了EMI性能（見圖2）。多層 BT 基板還使 I/O 引腳能夠使用與 QFN 封裝完全相同的模式，同時支持大型接地散熱焊盤。這種基于層壓的 QFN （LQFN） 封裝比標(biāo)準(zhǔn) QFN 更柔韌、更靈活，并且在板級溫度循環(huán)期間表現(xiàn)出更好的焊點可靠性性能，允許客戶使用 LQFN，而以前他們只能使用引線部件。

LT8645S可在整個負(fù)載范圍內(nèi)輕松通過汽車CISPR25的5類峰值EMI限值。擴(kuò)頻頻率調(diào)制也可用于進(jìn)一步降低 EMI 水平（圖 2）。LT8645S 采用內(nèi)部頂部和底部高效率電源開關(guān)，并將必要的升壓二極管、振蕩器以及控制和邏輯電路集成到單個芯片中。低紋波突發(fā)模式操作可在低輸出電流下保持高效率，同時將輸出紋波保持在 10 mV p-p 以下。最后，LT8645S采用小型耐熱性能增強(qiáng)型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。

圖2.LT8640S輻射EMI性能圖。

結(jié)論

ADAS在汽車和卡車中的擴(kuò)散不會很快結(jié)束。同樣明顯的是，找到滿足所有必要性能指標(biāo)的合適電源轉(zhuǎn)換器件，以免干擾ADAS并非易事。幸運的是，這些汽車系統(tǒng)的設(shè)計人員現(xiàn)在可以擁有ADI公司的靜音開關(guān)2DC-DC轉(zhuǎn)換器所提供的高性能功能。它們不僅大大簡化了電源設(shè)計人員的任務(wù)，而且無需復(fù)雜的布局或設(shè)計技術(shù)即可同時提供所需的所有性能。

審核編輯：郭婷