汽車電子中“識破”開關(guān)頻率的作用

“凡爾賽”算是近兩年來的一個熱門詞匯，耳熟能詳?shù)漠?dāng)然是撒貝寧的“北大也還行”，那各位工程師朋友們，你們在生活工作中聽到過什么樣的凡爾賽語錄呢？今天小編有一個關(guān)于汽車電子中，開關(guān)頻率的話題想和大家一起來聊一聊。

以下三位選手想來占據(jù)你心里的“第一”的位置，讓我們來看下哪位更能打動你？它們分別是FS1=2MHz，F(xiàn)S2=100kHz，F(xiàn)S3=500kHz。

那么問題來了~~~為什么我們只選擇這三個頻率來讓大家進(jìn)行評選呢？其他的頻率難道都已經(jīng)被“淘汰”了嗎？

我們先來看下FS1-FS3他們的自我評價：

FS1這意思，選擇了它，幫助大家節(jié)省了Debug EMI中AM這頻率段的時間，聽著倒是不錯，EMI可是車載實(shí)驗(yàn)中的一大難題，有多少“攻城獅”朋友們犧牲了多個日日夜夜被關(guān)在EMI暗室中。

FS2這是想表達(dá)自己效率出眾。那在汽車應(yīng)用中，產(chǎn)品都要考慮在85℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作，如果可以大大減小產(chǎn)品發(fā)熱也是很有吸引力的。

F3自認(rèn)為還是被廣大工程師所采納呀，據(jù)小編所知，幾乎大部分車載USB充電，LED車燈應(yīng)用中，小伙伴們選擇500kHz左右的開關(guān)頻率還是很多的。

從上述的描述可見，F(xiàn)S1-FS3運(yùn)用“凡爾賽體”，把自己贊美了一番。不過，拋開需求談Spec，是不是也有點(diǎn)“耍流氓”了呢？對于FS1，我們選擇2MHz雖然避開了AM頻率段，但是會不會加重了高頻段的EMI問題呢？對于FS2，開關(guān)損耗確實(shí)低了，那對于追求小尺寸設(shè)計(jì)的產(chǎn)品該如何滿足呢？對于FS3，某些應(yīng)用“出場率”是很高，但所有的汽車電子應(yīng)用是否可以一勞永逸，永遠(yuǎn)只選擇FS3呢？

所以這一期小課堂中，小編將以Buck電路為例，把能量轉(zhuǎn)換過程比喻成“小M”要去井里挑水。如圖1所示，其中，井比作輸入源的電容，水缸比作輸出源的電容，盛水的木桶是儲能電感，小M來回的快慢就是開關(guān)頻率，那么小M就可以比作一顆電源芯片。從車載應(yīng)用角度出發(fā)，結(jié)合電氣特性和芯片頻率設(shè)定限制這兩點(diǎn)，來為大家分析下FS1-FS3的不同表現(xiàn)。

關(guān)于電氣性能&芯片頻率設(shè)定限制，內(nèi)容概要如下

第一部分：器件尺寸與開關(guān)頻率的關(guān)系

根據(jù)上述擬人拓?fù)渲?，可作如下比喻?/p>

井的大?。狠斎腚娙葜?/p>

水缸的大?。狠敵鲭娙葜?/p>

木桶的大小：儲能電感感量

然后，假定工作條件&約束條件，便可得出如下所需要的外圍器件參數(shù)：

第二部分：芯片開關(guān)損耗&溫升與開關(guān)頻率的關(guān)系

根據(jù)上述擬人拓?fù)渲?，可作如下比喻?/p>

小M疲勞程度：芯片開關(guān)損耗&溫升

接下來，同樣是假定在相同工作條件&約束條件下，得出不同頻率的效率曲線（如下圖所示），進(jìn)而計(jì)算得出芯片的溫升情況。

第三部分：芯片最小導(dǎo)通&關(guān)斷時間限制與開關(guān)頻率的關(guān)系

根據(jù)上述擬人拓?fù)渲?，可作如下比喻?/p>

小M所能邁出的最大、最小步伐：芯片的最小導(dǎo)通&關(guān)斷時間

這部分會結(jié)合實(shí)際車載電池的變化范圍，來說明什么情況下會觸發(fā)到芯片的最小導(dǎo)通&關(guān)斷時間。

除此之外，我們還留了一個關(guān)于開關(guān)頻率選擇的“伏筆”，也就是為什么在汽車電子的設(shè)計(jì)中，為什么我們是從300kHz以下，300kHz-530kHz，或是1.8MHz以上這三個頻率中挑選出的FS1，F(xiàn)S2和FS3。

說到車載應(yīng)用中的DCDC，讓大家提及最多的，想必也是困惑大家最多的EMI問題。對于EMI而言，開關(guān)頻率的選擇也顯得尤為重要，因此上一期中的“伏筆”就在此刻得以揭曉，如下是一張CISPR25 Class 3 CE的限值標(biāo)準(zhǔn)圖，從中可以發(fā)現(xiàn)限值線是分段斷續(xù)的，我們選擇的FS1，F(xiàn)S2，F(xiàn)S3就落在這三個斷續(xù)區(qū)域內(nèi)。

那清晰了三個頻率的由來，接下來就是在不同的應(yīng)用中，對三個頻率做出正確的評價，選對所需要的開關(guān)頻率。這一期將舉三個應(yīng)用實(shí)例來進(jìn)行分析，分別是車載傳感器，車載移動設(shè)備充電，和自動駕駛控制器。

1. 車載傳感器：攝像頭

相關(guān)要點(diǎn)：外圍器件尺寸

這類產(chǎn)品一直以來都是追求小型化的設(shè)計(jì)，必然需要更小的電感電容等外圍器件，對于開關(guān)電源來說，要做的就是把開關(guān)頻率推向高頻，從而降低外圍器件尺寸。FS1（2MHz）在這里可以發(fā)揮其長處，同時也不用擔(dān)心2MHz會引起嚴(yán)重的發(fā)熱和EMI問題，因?yàn)閿z像頭的功耗不大，對于12V 輸入來說，電流一般只有100-200mA，所以對于DCDC而言，其導(dǎo)通損耗較小。所以，即使抬高開關(guān)頻率增加的開關(guān)損耗也不會使得電源整體產(chǎn)生較高的溫升，同時，攝像頭模組整體的功耗不大，而且電源一般也是集成度很高的PMIC方案，優(yōu)化了高頻di/dt環(huán)路，EMI性能相對來說更加友好些。

選用FS1（2MHz）在保證了小體積的同時，又有著不錯的效率和良好的EMI表現(xiàn)！

2. 車載移動充電設(shè)備：車載USB充電

相關(guān)要點(diǎn)：開關(guān)損耗&芯片溫升

這類產(chǎn)品從原先的單口Type-A更新迭代到雙口Type-A，再到后來的雙口Type-C，以及目前的Type-C PD。其同樣對于PCB板有著一定的尺寸要求，雖不像攝像頭模組那般，但通常產(chǎn)品控制在50mm*50mm左右。

如果說PCB板的大小也局限了布局和器件尺寸，那我們直接選擇FS1（2MHz）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化就好了？以雙口Type-C為例，每個充電口可達(dá)到5V@3A，即總功率達(dá)到了30W，即便考慮94%的效率，也有2W左右的熱量存在于PCB板上，并且車載環(huán)境試驗(yàn)通常要考慮在85℃情況下穩(wěn)定運(yùn)行。

可見，F(xiàn)S1不是最優(yōu)解。

因此，綜合考慮功耗和尺寸這兩者因素，FS3（500kHz）左右才是最合適的開關(guān)頻率選項(xiàng)。

3. 自動駕駛控制器：360環(huán)視ECU（Electronic Control Unit）

相關(guān)要點(diǎn)：芯片最小導(dǎo)通/關(guān)斷時間限制

此類應(yīng)用，板面積相對來說沒那么緊張，相比于攝像頭模組和USB充電，具備相對充足的PCB Layout面積和散熱空間，因此對于開關(guān)頻率的選擇沒有那么苛刻。但攻城獅朋友們在設(shè)計(jì)中，還是需要將芯片本身的導(dǎo)通/關(guān)斷時間限制考慮在內(nèi)。

比如在商用車中，其電池系統(tǒng)是24V，最高穩(wěn)態(tài)值會達(dá)到32V，然后360環(huán)視系統(tǒng)中一般都需要3.3V的供電，那么這時壓差很大，如果頻率選擇FS1（2MHz），通過計(jì)算可以得出

再根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊查詢到Minimum On Time如下所示，即觸發(fā)到了Min. On Time。所以需要選擇更低的頻率來避開觸發(fā)Min. On Time。

另外，環(huán)視系統(tǒng)中有時會提供一路8V的電源軌，作為攝像頭模組的輸入電。假設(shè)工況是乘用車12V電池系統(tǒng)，往往也需要考慮輸入電壓工作范圍在9V-16V，也就是說有9V轉(zhuǎn)8V的工況，同樣假設(shè)選取FS1（2MHz），計(jì)算可得

同樣根據(jù)規(guī)格書所提供的Minimum Off time可見，最大會到70ns，所以也會觸發(fā)到Min. Off Time。

因此，針對上述兩種情況，為了保證芯片穩(wěn)定的工作在某個開關(guān)頻率下，就要結(jié)合具體的輸入輸出電壓條件，選擇最佳的開關(guān)頻率。

現(xiàn)在，針對汽車電子產(chǎn)品，大家可以識別出不同開關(guān)頻率的凡爾賽語錄了吧。不同開關(guān)頻率都各有特色，并不是一成不變的只選擇其中一種，還是要結(jié)合實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用來得出最合適的開關(guān)頻率，讓開關(guān)電源的性能更加穩(wěn)定，更加卓越！

編輯：黃飛