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汽车ADAS与开关转换器知识分享

2019年11月04日 文章来源:网络整理 热度:190℃ 作者:刘英

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 AssistanceSystems)” 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

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。

汽车ADAS与开关转换器知识分享

图 1:LT8650S 原理图 ─ 在 2MHz 时提供 5V/5A 和 3.3V/4A 输出

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