【導讀】ADAS系統(tǒng)在新型汽車中的應用越來越廣泛。找到一種不對ADAS系統(tǒng)造成干擾的電源轉換器件，能夠極大地簡化設計師的任務，同時無需復雜的布局或設計方法，就可為設計師提供需要的所有性能。
到2020年，ADAS市場預計將達到600億美元[數(shù)據(jù)來源：Allied Market Research]。這意味著，在2014年到2020年這個時間段內(nèi)，年復合增長率為22.8%。顯然，這對半導體產(chǎn)品而言，意味著巨大的機會！
ADAS即高級駕駛員輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems)”，在今天的很多新型汽車中都能見到。這類系統(tǒng)常常方便了安全駕駛，如果系統(tǒng)檢測到來自周圍物體的風險，例如不守規(guī)矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車輛，就會向駕駛員發(fā)出警報。此外，這類系統(tǒng)通常還會提供動態(tài)功能，例如自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動剎車、牽引力控制和夜視。因此，在當前這10年的后半段，消費者對安全的日益關注、對駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規(guī)，成了汽車ADAS增長的主要驅動力。
這種增長的到來必然伴隨著對這個行業(yè)的挑戰(zhàn)，其中包括價格壓力、通貨膨脹、測試這類系統(tǒng)的復雜性和困難。此外，歐洲是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一，這一點應該不足為奇，因此，歐洲已經(jīng)看到，ADAS正大舉進入市場，歐洲汽車行業(yè)的客戶在大量采用ADAS。不過，美國和日本汽車制造商也沒有很落后。汽車行業(yè)的最終目標是，提供無人坐在方向盤后面的自動駕駛汽車！
系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)
一般而言，ADAS系統(tǒng)中包括某種處理器，以收集來自汽車中無數(shù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)，然后處理這些數(shù)據(jù)，以便能夠以容易理解的方式方便地提供給駕駛員。此外，這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電，其標稱電壓為9V至18V，不過由于系統(tǒng)中的電壓瞬態(tài)而可能高達42V，以及在冷車發(fā)動情況下可能低至3.5V。因此，很顯然的是，這類系統(tǒng)中的任何DC/DC轉換器最低限度都必須能夠應對3.5V至42V的寬輸入電壓范圍。
很多ADAS系統(tǒng)都是用5V和3.3V軌給各種模擬和數(shù)字IC產(chǎn)品供電，然而，通常使用的處理器I/O及內(nèi)核電壓的運行要求卻處于低于2V的范圍，而且有可能低至0.8V。此外，這類系統(tǒng)常常安裝在汽車中某一空間和散熱都受限的地方，因此限制了可用于冷卻用途的散熱器的使用。盡管人們普遍使用高壓DC/DC轉換器直接從電池產(chǎn)生5V和3.3V電源軌，但是在今天的ADAS系統(tǒng)中，開關穩(wěn)壓器還必須以2MHz或更高的頻率切換，而不是過去低于500kHz的開關頻率。這種變換背后的關鍵驅動力是，需要占板面積更小的解決方案，同時保持高于AM頻段，以避免任何潛在的干擾。
最后，似乎設計師的任務還不夠復雜，他們還必須確保ADAS系統(tǒng)符合汽車中的各種抗噪聲標準要求。在汽車環(huán)境中，對有些區(qū)域，低熱耗散和高效率是很重要的，在這些區(qū)域，開關穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個轉換器電路的EMI性能有很大的影響。
有兩種類型的EMI輻射：傳導型和輻射型。傳導型輻射依賴連接產(chǎn)品的導線和走線。既然這種噪聲局限于設計中的特定端子或連接器處，那么如之前已經(jīng)提到的那樣，通過良好的布局或濾波器設計，常常在開發(fā)過程相對較早的階段，就能夠確保符合傳導型輻射要求。
然而，輻射型輻射就完全是另外一回事了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線，每一個銅平面都是一個諧振器。除了純粹的正弦波或DC電壓，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過了仔細設計，在系統(tǒng)經(jīng)過測試之前，電源設計師仍然從來無法確知輻射型輻射將會多嚴重。而且，在設計從根本上完成之前，無法正式進行輻射型輻射測試。
濾波器常常用來衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強度以降低EMI。通過增加金屬屏蔽和磁性屏蔽，可以衰減通過空間(輻射型)傳播的那部分能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以控制依賴PCB走線(傳導型)的那部分能量。EMI無法完全消除，但是可以衰減到一個其他通信和數(shù)字組件可以接受的水平。此外，幾個監(jiān)管機構也要求執(zhí)行一些標準，以確保符合EMI要求。
與通孔式組件相比，采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件的性能更高。然而，這種改進的速度慢于開關穩(wěn)壓器開關工作頻率提高的速度。開關轉換速度提高，會使效率提高、最短接通和斷開時間縮短，但是諧波分量增大了。開關頻率每增大一倍，在開關容量和轉換時間等所有其他參數(shù)保持恒定時，EMI惡化6dB。寬帶EMI的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器，如果開關頻率提高10倍，輻射就增大20dB。
熟練的PCB設計師將設計很小的熱環(huán)路，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中存儲充足能量所需的器件引腳布局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了熱環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于30MHz的磁性或變壓器型耦合將全面減弱濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越有效。
具低EMI/EMC輻射的雙DC/DC轉換器
由于上述的應用限制，凌力爾特公司(最近已被ADI收購)開發(fā)了LT8650S，這是一款能接受高輸入電壓的雙輸出單片同步降壓型轉換器，具很低的EMI/EMC輻射。其3V至42V輸入電壓范圍使該器件非常適合包括ADAS在內(nèi)的汽車應用，汽車應用必須穩(wěn)定通過最低輸入電壓低至3V的冷車發(fā)動和停-啟情況、以及超過40V的負載突降瞬態(tài)。正如在圖1中能看到的那樣，這是一款雙通道設計，由兩個高壓4A通道組成，提供低至0.8V的電壓，從而使該器件能夠驅動目前可用和電壓最低的微處理器內(nèi)核。其同步整流拓撲在2MHz開關頻率時提供高達94.4%的效率，而突發(fā)模式(Burst Mode®)運行在無負載備用條件下保持靜態(tài)電流低于6.2µA(兩個通道都接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通系統(tǒng)。
圖1：LT8650S原理圖─在2MHz時提供5V/5A和3.3V/4A輸出。
LT8650S的開關頻率可以設定在300kHz至3MHz范圍內(nèi)，并可同步至這一范圍。其40ns最短接通時間允許在高壓通道以2MHz開關頻率進行16VIN至2.0VOUT降壓轉換。其獨特的Silent Switcher®2架構使用兩個內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部BST和INTVCC電容器，以最大限度減小熱環(huán)路面積。LT8650S的設計兼具控制良好的開關邊沿和一種具整體接地平面的內(nèi)部結構，并用銅柱代替了接合線，因此顯著降低了EMI/EMC輻射。參見圖2以了解輻射輸出特性。這種改進的EMI/EMC性能對電路板布局不敏感，從而簡化了設計并降低了風險，甚至在使用兩層PC板時也不例外。LT8650S在整個負載范圍內(nèi)以2MHz開關頻率切換時，能夠非常容易地滿足汽車CISPR25 Class5峰值EMI限制。擴展頻譜頻率調(diào)制也可用來進一步降低EMI水平。
圖2：LT8650S的輻射EMI圖。
LT8650S使用內(nèi)部頂部和底部高效率電源開關，單個芯片內(nèi)集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式運行在低輸出電流時保持高效率，同時保持輸出紋波低于10mVp-p。最后，LT8650S采用小型耐熱性能增強型4mm x 6mm 32引腳LGA封裝。
結論
可以毫無疑問地說，ADAS系統(tǒng)在汽車市場的滲透將不會很快結束。此外，很顯然的是，找到一種滿足所有必要的性能標準以不對ADAS系統(tǒng)造成干擾的電源轉換器件，不是一項簡單的任務。幸運的是，對這類系統(tǒng)的設計師而言，凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬ADI公司)的電源產(chǎn)品部提供了“同類最佳”的電源轉換器，這些轉換器極大地簡化了這些設計師的任務，同時無需復雜的布局或設計方法，就可為設計師們提供需要的所有性能。
作者：Tony Armstrong，凌力爾特公司
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