如今,低EMI與小的解決方案尺寸、高效率、散熱能力、堅固性和易用性一起,成為了對汽車電源的一項關鍵要求。Silent Switcher 2穩壓器系列可滿足汽車製造商嚴格的EMI要求,同時擁有精小的尺寸,以及整合式MOSFET和高電流能力。

已獲專利的Silent Switcher技術在高頻、高功率電源中實現了令人印象深刻的EMI性能。作為這項技術的下一代元件,Silent Switcher 2簡化了電路板設計和製造,其所採取的方法是把熱迴路電容器納入封裝中,因此PCB佈局對於 EMI 的影響極小。

SILENT SWITCHER 2穩壓器為SOC供電

目前(及未來)車輛上所使用的系統單晶片(SOC)元件與前幾代同類產品幾乎沒有什麼相似之處。資訊娛樂系統和車輛安全系統之特性,以及相關功能的指數性增加,迫切要求著SOC處理資料的速度比過去提高幾個數量級,包括以極少的延遲處理來自多個訊號源的高解析度視訊資料。例如,倘若汽車的前置攝影機「看到」了某種危險,則汽車必須立刻做出回應,若不是要提醒駕駛者注意,則是要求煞車。為了滿足最新的運算需求,SOC在其封裝中整合了越來越多的高耗電元件,但是,將怎樣提供這些所需的功率呢?在汽車中,功率輸送方案必須具有高效率、精小和低EMI的特點。而SOC增加的需求則使其更難以滿足。

例如,一個 R-Car H3 SOC包含8個ARM核心、DSP、視訊和圖形處理器以及輔助的支援元件。所有這些元件均需要可靠的電源,包括三個用於週邊和輔助元件的電源軌(5V、3.3V和1.8V)、兩個用於DDR3和LPDDR4的電源軌(1.2V和1.1V)和另一個用於核心的電源軌(0.8V)。

為了支援SOC所需的電流水準,具有外部MOSFET的開關電源控制器是優先於單晶片電源元件的傳統選擇方案。單晶元件因其內部MOSFET最大限度縮減了成本和解決方案尺寸而引人注目,但是它們在傳統上受限的電流能力和存在的熱問題,則通常對其使用造成限制。LT8650S和一個新的單晶降壓型Silent Swicther穩壓器系列擁有支援SOC的電流能力和熱管理特性。

由於具備高效率和熱管理特性,因此Power by Linear LTR8650S、LT8609S和LT8645S的輸出電流能力比典型單晶穩壓器高出許多。3V至42V (對於LT8645S則為65V)的輸入電壓範圍涵蓋了汽車電池的各種電量條件。這些單晶IC具有整合式MOSFET,並能以高於2MHz的頻率運行,因而縮減了解決方案尺寸和成本,同時避開了AM頻段。Silent Switcher穩壓器專為最大限度降低EMI而設計,因此也使其成為適合SOC的一種熱門選擇。

雙輸出:5V/4A和1V/4A

圖1示出了一款雙輸出(2MHz 5V/4A和1V/4A)解決方案,其採用了LT8650S的兩個通道。這款電路可容易地進行修改以適合其他的輸出組合,包括諸如3.3V和1.8V或3.3V和1.1V等,以利用LT8650S的寬廣輸入範圍。LT8650S還可用作第一級轉換器,之後跟隨用於提供更多輸出的各種較低功率第二級開關穩壓器或LDO穩壓器。

20180416_ADI_TA71P1 圖1:採用LT8650S兩個通道的雙輸出(5V/4A和1.0V/4A)解決方案

LT8650S運用了可消除EMI的Silent Switcher 2設計,具有內建的熱迴路電容器,以最大限度減小雜訊天線尺寸。結合整合式MOSFET實現了異常優越的EMI性能。

20180416_ADI_TA71P2 圖2:適合SOC應用的4相、3.3V/16A、2MHz解決方案

適用於SOC的16A解決方案

圖2所示為一款用於提供SOC電源的3.3V/16A、四相解決方案。圖3所示為輻射EMI測試結果。

20180416_ADI_TA71P3 圖3:圖2所示解決方案的輻射EMI測試結果

另外,汽車SOC還對電源負載暫態響應具有著極高的要求。周邊電源的負載電流轉換速率達到100A/μs (內核電源則更高)的情況並不少見。無論負載的變化情況如何,電源都必須最大限度減小輸出電壓瞬變。快速開關頻率(比如LT8650S系列能達到2MHz)有助於加快瞬變恢復的速度。在採用正確迴路補償的情況下,較快的開關頻率對應於較快的動態進行響應。圖2所示為適合的組件值。在電路板佈局中,應儘量減小從電路的輸出電容器至負載的佈線電感,這一點也是至關緊要的。圖4所示為圖2所示解決方案的暫態測試結果。

20180416_ADI_TA71P4 圖4:圖2所示解決方案的負載暫態響應

針對較低功率應用的高效率、精小型解決方案

除了諸如SOC和CPU等低電壓、高電流應用之外,汽車和其他車輛還需要用於眾多低電流負載的電源,例如:儀錶板、平視顯示器、車聯網(V2X)、感測器、USB充電器,等等。

由於可用空間和電池電量受限,因此對於電源轉換器來說,高效率和小解決方案尺寸是最重要的要求,低雜訊是前提條件。LT8609S是一款針對所有這些應用的合適解決方案。該元件設計了針對汽車電池條件的3V至42V輸入電壓範圍。整合式的MOSFET、內建的補償電路和2MHz的操作頻率最大限度減小了LT8609S解決方案尺寸。在LT8609S中運用了Silent Switcher 2技術和整合式熱迴路電容器,可儘量降低雜訊位準,並提供優異的效率指標以及卓越的EMI性能。圖5所示為採用LT8609S的2MHz、5V/2A應用。

20180416_ADI_TA71P5 圖5:採用LT8609S的2MHz 5V/2A應用

圖6所示為一款配置在兩層電路板上的完整LT8609S穩壓器。LT8609S的整合型MOSFET和內建補償電路將元件數目減少為元件本身和少量的外部元件。再加上高速開關頻率,該典型應用的核心解決方案總體尺寸僅為11.5mm x 12.3mm。

20180416_ADI_TA71P6 圖6:LT8609S兩層電路板的小解決方案尺寸

降低解決方案成本的一種方法,是儘量減少所需的PCB層數,但是可以預料到的是,這需要以犧牲性能來作為代價。例如,就所實現的EMI性能而言,兩層電路板解決方案與四層電路板解決方案預計是不等同的。圖7中的EMI測試結果顯示:採用兩層電路板的LT8609S可滿足CISPR 25 Class 5 EMI輻射限制要求。對採用兩層和四層電路板的等效解決方案之EMI性能進行了比較。

20180416_ADI_TA71P7 圖7:(a)採用一塊兩層電路板的LT8609S之平均輻射EMI測試結果顯示了在啟用展頻頻率調變功能時以進一步降低EMI的情況。(b)具備LT8609S之兩層和四層電路板的峰值輻射EMI性能比較。

一般來說,Silent Switcher 2技術可在採用兩層甚至單層電路板的情況下獲得極佳的EMI性能,因而能夠極大地降低製造成本。

當使用的電路板層數較少時,熱性能通常是一個讓人擔心的問題,但是在採用LT8609S時情況則不是這樣。Silent Switcher 2技術的低雜訊位準和高效率所具有的優勢,是開關轉換產生的功率損耗很低。這與增強型散熱封裝相結合,使LT8609S展現出驕人的熱性能。圖8示出了兩層電路板和四層電路板之間的熱性能對比。由圖可見,對於12V電池輸入,LT8609S在滿負載條件下工作時的溫升差異小於11°C。

20180416_ADI_TA71P8 圖8:裝有LT8609S的兩層和四層電路板的熱性能比較。

因應48V汽車系統的SILENT SWITCHER 2解決方案

傳統車輛採用12V電池來為點火裝置、照明、音訊和資訊娛樂電子設備、安全功能裝置及其他系統供電。不幸的是,12V汽車系統的供電能力被限制在3kW,而數量龐大的汽車電子產品對這道「界限」發起的挑戰日益趨增。

這個問題,再加上電動汽車和自動駕駛系統的出現,對功率輸送規範提出了挑戰,汽車產業隨之將轉向48V電池電源作為一種解決方案。與12V電氣系統相比,48V電氣系統在功率需求很高的情況下可降低配電損耗,從而改善整體效率。

在48V系統中,對DC/DC轉換器提出的挑戰是必需保持與12V系統相似的轉換效率、尺寸和低EMI,而此時,高降壓比使得這些規格指標的滿足更加困難。由採用48V電池電源產生的好處不應在DC/DC轉換過程中白白損失。能夠以2MHz頻率運行以避免干擾AM頻段的單晶開關穩壓器便非常適合48V汽車電氣系統,只要它們能高效地做到這一點就行。

能夠接受48V標稱輸入的單晶降壓型穩壓器數量有限,它們大多支援小於5A的負載電流。LT8645S單晶降壓型穩壓器可依靠高達65V的輸入電壓支援8A負載。其40ns的最短導通時間(TON)和快速乾淨的開關邊沿(圖9)可實現高開關頻率和高效率(在2MHz時高達94%)。

20180416_ADI_TA71P9 圖9:單晶Silent Switcher元件採用MOSFET驅動器設計,可產生快速、乾淨的開關邊沿,其實現了高效率,即使在高頻操作情況下也不例外。另外,創新的驅動器還最大限度減少了過沖,並抑制了振鈴,而在採用其他驅動器時這些將成為產生EMI的一個來源。

整合式補償電路和旁路電容器可最大限度減小總體解決方案尺寸,並簡化了低EMI佈局。運用一個簡單的鐵氧體磁珠濾波器,LT8645S能夠透過CISPR 25 Class 5 EMI規格限制,並保有餘裕。

圖10所示為採用LT8645S的超低EMI 2MHz、5V/8A應用。圖11示出了LT8645S的效率,圖12顯示了LT8645S解決方案尺寸。

20180416_ADI_TA71P10 圖10:採用LT8645S的超低EMI 5V/8A應用

20180416_ADI_TA71P11 圖11:用於該超低EMI解決方案時的LT8645S效率

20180416_ADI_TA71P12 圖12:LT8645S展示電路的小解決方案尺寸

LT8645S擁有支援高降壓比的非凡能力,甚至當操作於高切換開關頻率時也是如此,這得益於其40ns的最短導通時間。例如,LT8645S能在1MHz開關頻率下從一個高達30V的輸入產生1.8V輸出。如果跳過某些開關週期是可以接受的,那麼輸入可升高至65V的絕對最大額定值。

當輸出低於3.1V時,LT8645S的BIAS接腳應連接至一個高於3.1V的外部電源以提高效率。如果沒有這樣的電源可用,則將BIAS接腳連接至GND。圖13示出了一款可在65V輸入暫態情況下正常操作的1MHz 1.8V/8A解決方案。

20180416_ADI_TA71P13 圖13:採用LT8645S的1MHz 1.8V/8A應用電路能承受高達65V的輸入暫態

除了低EMI、可在高頻條件下實現高效率、並具有寬輸入電壓範圍之外,LT8645S的特點還包括超低靜態電流和低壓差。在閒置狀態下,超低的靜態電流能夠延長電池執行時間。低壓差特性則對於在冷啟動情況下持續運作是相當重要的。

結論

Silent Switcher和Silent Switcher 2穩壓器可滿足汽車環境嚴苛的EMI輻射要求。請見表1所列出的Silent Switcher元件,其中也包括了本文介紹的幾款產品。

在本文著重介紹的元件中,LT8650S雙通道同步單晶Silent Switcher 2穩壓器為SOC應用提供了寬廣輸入電壓範圍、優異的EMI性能和小解決方案尺寸,同時還可提供多個高電流輸出和快速暫態響應。LT8609S同步單晶Silent Switcher 2穩壓器提供了寬廣的輸入電壓範圍、低靜態電流、卓越的EMI性能、小解決方案尺寸和高效率,該元件能夠輕易地滿足當今汽車中無處不在的電源系統之要求。LT8645S(輸入至65V)可構成適合48V汽車系統的精小低EMI解決方案。

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