汽车ADAS如何选择EMI / EMC 辐射很低的DC/DC 转换器

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本文作者

Tony Armstrong

Analog Devices 公司    电源产品部    产品市场总监

背景信息

到 2020 年,ADAS 市场预计将达到 600 亿美元 [数据来源:Allied Market Research]。这意味着,在 2014 年到 2020 年这个时间段内,年复合增长率为 22.8%。显然,这对半导体产品而言,意味着巨大的机会!

ADAS 是“高级驾驶员辅助系统 (Advanced Driver Assistance Systems)”的英文首字母缩略语,在今天的很多新型汽车中都能经常见到。这类系统常常方便了安全驾驶,如果系统检测到来自周围物体的风险,例如不守规矩的行人、骑行者甚至处于不安全行驶方向的其他车辆,就会向驾驶员发出警报。此外,这类系统通常还会提供动态功能,例如自适应巡航控制、盲点检测、车道偏离警告、驾驶员犯困监视、自动刹车、牵引力控制和夜视。因此,在当前这 10 年的后半段,消费者对安全的日益关注、对驾驶舒适度的需求以及不断增加的政府安全法规,成了汽车 ADAS 增长的主要驱动力。

这种增长的到来必然伴随着对这个行业的挑战,其中包括价格压力、通货膨胀、测试这类系统的复杂性和困难。此外,欧洲是最具创新性的汽车市场之一,这一点应该不足为奇,因此,欧洲已经看到,ADAS 正大举进入市场,欧洲汽车行业的客户在大量采用 ADAS。不过,美国和日本汽车制造商也没有很落后。汽车行业的最终目标是,提供无人坐在方向盘后面的自动驾驶汽车!

系统带来的挑战

一般而言,ADAS 系统中包括某种处理器,以收集来自汽车中无数传感器的输入数据,然后处理这些数据,以便能够以容易理解的方式方便地提供给驾驶员。此外,这类系统通常直接由汽车的主电池供电,其标称电压为 9V 至 18V,不过由于系统中的电压瞬态而可能高达 42V,以及在冷车发动情况下可能低至 3.5V。因此,很显然的是,这类系统中的任何 DC/DC 转换器最低限度都必须能够应对 3.5V 至 42V 的宽输入电压范围。

很多 ADAS 系统都是用 5V 和 3.3V 轨给各种模拟和数字 IC 产品供电,然而,通常使用的处理器 I/O 及内核电压的运行要求却处于低于 2V 的范围,而且有可能低至 0.8V。此外,这类系统常常安装在汽车中某一空间和散热都受限的地方,因此限制了可用于冷却用途的散热器的使用。尽管人们普遍使用高压 DC/DC 转换器直接从电池产生 5V 和 3.3V 电源轨,但是在今天的 ADAS 系统中,开关稳压器还必须以 2MHz 或更高的频率切换,而不是过去低于 500kHz 的开关频率。这种变换背后的关键驱动力是,需要占板面积更小的解决方案,同时保持高于 AM 频段,以避免任何潜在的干扰。

最后,似乎设计师的任务还不够复杂,他们还必须确保 ADAS 系统符合汽车中的各种抗噪声标准要求。在汽车环境中,对有些区域,低热耗散和高效率是很重要的,在这些区域,开关稳压器正在取代线性稳压器。此外,开关稳压器一般是输入电源总线上的第一个有源组件,因此对整个转换器电路的 EMI 性能有很大的影响。

有两种类型的 EMI 辐射:传导型和辐射型。传导型辐射依赖连接产品的导线和走线。既然这种噪声局限于设计中的特定端子或连接器处,那么如之前已经提到的那样,通过良好的布局或滤波器设计,常常在开发过程相对较早的阶段,就能够确保符合传导型辐射要求。

然而,辐射型辐射就完全是另外一回事了。电路板上携带电流的所有东西都辐射一个电磁场。电路板上的每一条走线都是一个天线,每一个铜平面都是一个谐振器。除了纯粹的正弦波或 DC 电压,任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使经过了仔细设计,在系统经过测试之前,电源设计师仍然从来无法确知辐射型辐射将会多严重。而且,在设计从根本上完成之前,无法正式进行辐射型辐射测试。

滤波器常常用来衰减某一频率或某一频率范围的噪声强度以降低 EMI。通过增加金属屏蔽和磁性屏蔽,可以衰减通过空间 (辐射型) 传播的那部分能量。通过增加铁氧体珠和其他滤波器,可以控制依赖 PCB 走线 (传导型) 的那部分能量。EMI 无法完全消除,但是可以衰减到一个其他通信和数字组件可以接受的水平。此外,几个监管机构也要求执行一些标准,以确保符合 EMI 要求。

与通孔式组件相比,采用表面贴装技术的新式输入滤波器组件的性能更高。然而,这种改进的速度慢于开关稳压器开关工作频率提高的速度。开关转换速度提高,会使效率提高、最短接通和断开时间缩短,但是谐波分量增大了。开关频率每增大一倍,在开关容量和转换时间等所有其他参数保持恒定时,EMI 恶化 6dB。宽带 EMI 的表现就像一个一阶高通滤波器,如果开关频率提高 10 倍,辐射就增大 20dB。

熟练的 PCB 设计师将设计很小的热环路,并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而,在去耦组件中存储充足能量所需的器件引脚布局、封装结构、热设计要求和封装尺寸决定了热环路的最小尺寸。使问题更加复杂的是,在典型的平面印刷电路板中,走线之间高于 30MHz 的磁性或变压器型耦合将全面减弱滤波器的作用,因为谐波频率越高,不想要的磁耦合就变得越有效。

具低 EMI/EMC 辐射的双 DC/DC 转换器

由于上述的应用限制,凌力尔特公司 (最近已被 ADI 收购) 开发了 LT8650S,这是一款能接受高输入电压的双输出单片同步降压型转换器,具很低的 EMI / EMC 辐射。其 3V 至 42V 输入电压范围使该器件非常适合包括 ADAS 在内的汽车应用,汽车应用必须稳定通过最低输入电压低至 3V 的冷车发动和停-启情况、以及超过 40V 的负载突降瞬态。正如在图 1 中能看到的那样,这是一款双通道设计,由两个高压 4A 通道组成,提供低至 0.8V 的电压,从而使该器件能够驱动目前可用和电压最低的微处理器内核。其同步整流拓扑在 2MHz 开关频率时提供高达 94.4% 的效率,而突发模式 (Burst Mode®) 运行在无负载备用条件下保持静态电流低于 6.2µA (两个通道都接通),从而使该器件非常适合始终保持接通系统。

 

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1LT8650S 原理图 2MHz 时提供 5V/5A 3.3V/4A 输出

LT8650S 的开关频率可以设定在 300kHz 至 3MHz 范围内,并可同步至这一范围。其 40ns 最短接通时间允许在高压通道以 2MHz 开关频率进行 16VIN 至 2.0VOUT 降压转换。其独特的 Silent Switcher® 2 架构使用两个内部输入电容器以及内部 BST 和 INTVCC 电容器,以最大限度减小热环路面积。LT8650S 的设计兼具控制良好的开关边沿和一种具整体接地平面的内部结构,并用铜柱代替了接合线,因此显著降低了 EMI / EMC 辐射。参见图 2 以了解辐射输出特性。这种改进的 EMI / EMC 性能对电路板布局不敏感,从而简化了设计并降低了风险,甚至在使用两层 PC 板时也不例外。LT8650S 在整个负载范围内以 2MHz 开关频率切换时,能够非常容易地满足汽车 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。扩展频谱频率调制也可用来进一步降低 EMI 水平。

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2LT8650S 辐射 EMI

 

LT8650S 使用内部顶部和底部高效率电源开关,单个芯片内集成了必要的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路。低纹波突发模式运行在低输出电流时保持高效率,同时保持输出纹波低于 10mV p-p。最后,LT8650S 采用小型耐热性能增强型 4mm x 6mm 32 引脚 LGA 封装。

结论

可以毫无疑问地说,ADAS 系统在汽车市场的渗透将不会很快结束。此外,很显然的是,找到一种满足所有必要的性能标准以不对 ADAS 系统造成干扰的电源转换器件,不是一项简单的任务。幸运的是,对这类系统的设计师而言,凌力尔特公司 (现隶属 ADI 公司) 的电源产品部提供了 “同类最佳” 的电源转换器,这些转换器极大地简化了这些设计师的任务,同时无需复杂的布局或设计方法,就可为设计师们提供需要的所有性能。