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    如何為車輛ADAS設計更好的高電流開關電源

    發布時間:2022-09-19 來源:中國自動化網 類型:解決方案 人瀏覽
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    單片式Silent Switcher穩壓器

    導讀:

    本文介紹兩款高電流42V單片式Silent Switcher穩壓器LT8638S和LT8648S。它們具有高效率和低輻射,緩解了在嚴苛的汽車應用環境中存在的散熱和EMI問題。LT8638S和LT8648S集成MOSFET,為快速發展的汽車ADAS所需的高電流中間電源提供尺寸小巧的解決方案。


      作者:ADI工業和多市場業務部應用工程師Ying Cheng

      在如今的車輛之中,高級駕駛員輔助系統(ADAS)的重要性與日俱增。它們可以幫助盡可能減少人為操作錯誤,提升駕駛員和道路安全。早期的ADAS只包含單個自動駕駛員輔助功能,例如使用一個雷達傳感器的自適應巡航控制功能?,F在,越來越多的ADAS功能被應用到汽車上,例如自動緊急停車、盲點監測、車輛/行人報警和避讓、車道偏離報警和輔助等。ADAS的發展意味著這些車輛會使用更多的傳感器和攝像頭、功能強大的實時數據處理和計算,以及高速通信,而這些均提高了耗電量。例如,第一代ADAS片上系統(SoC)(例如2008年的Mobileye EyeQ)僅消耗2W~3W功率。但新發布的ADAS SoC,例如NVIDIA®Xavier?,由于強大的數據處理和計算能力,需消耗20W~30W或更多功率。ADAS的電源由12V電池提供。它先被轉換成5V或3.3V中間供電軌,然后轉換成SoC內核、接口、外設等所需的不同的低電壓。在ADAS SoC的功耗增大之后,中間供電軌轉換器需要輸出10A或更高的電流,以滿足其要求。

      在設計大電流中間電源時,傳統方法是使用降壓控制器。但是,由于需要使用外部MOSFET,所以這種方法的總解決方案尺寸較大。因此很難將控制器電源解決方案安裝到空間有限的位置,這是汽車ADAS應用面臨的常見問題。關于汽車開關電源的另一個問題是:電磁輻射。電源設計人員需要解決嚴格的輻射和傳導電磁輻射限制帶來的挑戰,汽車行業必須遵守該限制。在功耗增加之后,這些電磁輻射標準更難以滿足。為了滿足功率、尺寸和電磁輻射限制,ADI公司開發了2款42V大電流單片式Silent Switcher穩壓器:LT8638S和LT8648S。

      使用LT8638S的緊湊型10A/12A峰值電源解決方案

      LT8638S是一款42V、10A單通道降壓穩壓器,采用4mm×5mm LQFN封裝,其中包含所有控制電路和MOSFET。短時間內,其輸出電流可以達到12A。LT8638S是非常適合用于緊湊型10A中間供電軌的替代選項。圖1顯示了典型的5V/10A LT8638S的原理圖。LT8638S穩壓器的開關頻率可在200kHz至3MHz范圍內調節。表1列出了400kHz LT8638S電路和2MHz LT8638S電路的主要組成部分。圖2顯示在演示板DC2929A上,在400kHz和2MHz時,LT8638S的效率和溫度升高情況。

    單片式Silent Switcher穩壓器

      圖1.使用LT8638S的5 V/10 A電源

      表1.圖1所示的原理圖包含的組件
    單片式Silent Switcher穩壓器

      圖2.圖1所示的電路的效率和溫度上升情況

      比較LT8638S 400kHz電路和LT8638S 2MHz電路,可以看出,400kHz電路的電感大小是2MHz電感的2.5倍,400kHz電路的輸出電容的大小是2MHz輸出電容的3倍。所以,對于非常關注尺寸大小和成本的應用,2MHz開關頻率更為合適。阻礙電源設計工程師使用2MHz(開關頻率)的主要問題是效率和熱性能,因為在高開關頻率下,開關損耗會顯著增大。LT8638S使用快速開關邊沿來盡可能降低開關損耗,以緩解這些問題,如圖3所示。如圖2所示,在開關頻率為2MHz,輸出功率為50W時,LT8638S的溫度僅上升60°C。在10A負載下,2MHz和400kHz開關頻率之間的效率差異在1.5%以內。

    單片式Silent Switcher穩壓器

      圖3.輸入為12V,負載為10A時,LT8638S的開關邊沿

      在高開關頻率下,快速開關邊沿有助于提高效率,但可能會加劇電磁輻射。LT8638S采用Silent Switcher架構,不但支持快速開關邊沿,還可實現更低的EMI,且解決方案的尺寸要更小。圖4顯示EMI很低的2MHz LT8638S電路。為了實現出色的EMI性能,該穩壓器連接SYNC/MODE引腳和INTVCC引腳,以使用展頻模式。圖5顯示采用圖4的電路時LT8638S的輻射,測試設置由CISPR 25標準定義。紅線代表CISPR 25 5類限值,這是汽車行業中要求最嚴格的輻射規范。采用很少的幾個額外組件構成輸入濾波器(如圖4所示),LT8638S可以滿足CISPR 25 5類規范嚴格的峰值和平均值限值。

      單片式Silent Switcher穩壓器

      圖4.EMI很低的LT8638S電路

      單片式Silent Switcher穩壓器

    單片式Silent Switcher穩壓器


      圖5.圖4所示的電路(在10A時,12V輸入轉換為3.3V輸出)的輻射EMI和傳導EMI

      使用LT8648S、電流更高的單片式電源解決方案

      復雜的ADAS需要使用多個SoC,以及多個攝像頭和傳感器。例如,免接觸式ADAS可能采用多個非常耗電的芯片,以及多達11個攝像頭。LT8648S具有高于LT8638S的輸出電流能力,可以安裝在這些復雜的ADAS所需的中間供電軌上。LT8648S是一款單片式42V、15A降壓穩壓器,其輸出電流和功率電平與使用外部MOSFET的功率控制器解決方案相近。通過并行使用多個LT8648S,可以進一步擴展其電流能力。

      圖6顯示并行使用兩個LT8648S器件的3.3V/25A,2MHz電路的原理圖。這兩個LT8648S穩壓器有共同的輸入和輸出。EN/UV和SS引腳連接,確保兩個穩壓器能按照相同的壓擺率同時啟動。LT8648S使用峰值電流模式控制,使得誤差放大器輸出VC電壓與負載電流相關。通過連接VC和FB引腳,這兩個并行的LT8648S無需使用外部電路,即可實現不錯的電流平衡。U1 LT8648S的CLKOUT引腳連接至U2 LT8648S的SYNC/MODE引腳。連接之后,兩個LT8648S穩壓器實現同步,且支持180°相移。

    單片式Silent Switcher穩壓器

      圖6.并行使用兩個LT8648S的2MHz 3.3V/25A應用

      圖7所示圖6電路的效率和溫度上升情況。U1和U2的溫度幾乎相同,表示該并行應用實現了不錯的電流均衡。高開關頻率和外部補償支持實現快速瞬態響應。圖8顯示圖6所示的電路的負載瞬態響應。

      單片式Silent Switcher穩壓器

      圖7.圖6所示的電路的效率和溫度上升情況

      單片式Silent Switcher穩壓器

      圖8.圖6所示的電路的10A至20A負載瞬態響應

      結論

      本文介紹兩款高電流42V單片式Silent Switcher穩壓器LT8638S和LT8648S。它們具有高效率和低輻射,緩解了在嚴苛的汽車應用環境中存在的散熱和EMI問題。LT8638S和LT8648S集成MOSFET,為快速發展的汽車ADAS所需的高電流中間電源提供尺寸小巧的解決方案。

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