如何為車輛ADAS設(shè)計更好的高電流開關(guān)電源

在如今的車輛之中，高級駕駛員輔助系統(tǒng)(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(yīng)巡航控制功能?，F(xiàn)在，越來越多的ADAS功能被應(yīng)用到汽車上，例如自動緊急停車、盲點監(jiān)測、車輛/行人報警和避讓、車道偏離報警和輔助等。ADAS的發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)(SoC)（例如2008年的Mobileye EyeQ）僅消耗2W~3W功率。但新發(fā)布的ADAS SoC，例如NVIDIA? Xavier?，由于強大的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成5V或3.3V中間供電軌，然后轉(zhuǎn)換成SoC內(nèi)核、接口、外設(shè)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(zhuǎn)換器需要輸出10A或更高的電流，以滿足其要求。

在設(shè)計大電流中間電源時，傳統(tǒng)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(yīng)用面臨的常見問題。關(guān)于汽車開關(guān)電源的另一個問題是：電磁輻射。電源設(shè)計人員需要解決嚴格的輻射和傳導(dǎo)電磁輻射限制帶來的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)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(fā)了2款42V大電流單片式Silent Switcher穩(wěn)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(wěn)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(nèi)，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(wěn)壓器的開關(guān)頻率可在200kHz至3MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。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。

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

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(guān)注尺寸大小和成本的應(yīng)用，2MHz開關(guān)頻率更為合適。阻礙電源設(shè)計工程師使用2MHz（開關(guān)頻率）的主要問題是效率和熱性能，因為在高開關(guān)頻率下，開關(guān)損耗會顯著增大。LT8638S使用快速開關(guān)邊沿來盡可能降低開關(guān)損耗，以緩解這些問題，如圖3所示。如圖2所示，在開關(guān)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(guān)頻率之間的效率差異在1.5%以內(nèi)。

圖3 輸入為12V，負載為10A時，LT8638S的開關(guān)邊沿

在高開關(guān)頻率下，快速開關(guān)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(gòu)，不但支持快速開關(guān)邊沿，還可實現(xiàn)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(xiàn)出色的EMI性能，該穩(wěn)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(shè)置由CISPR 25標準定義。紅線代表CISPR 25 5類限值，這是汽車行業(yè)中要求最嚴格的輻射規(guī)范。采用很少的幾個額外組件構(gòu)成輸入濾波器（如圖4所示），LT8638S可以滿足CISPR 25 5類規(guī)范嚴格的峰值和平均值限值。

圖4 EMI很低的LT8638S電路

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

使用LT8648S、電流更高的單片式電源解決方案

復(fù)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(fù)雜的ADAS所需的中間供電軌上。LT8648S是一款單片式42V、15A降壓穩(wěn)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(wěn)壓器有共同的輸入和輸出。EN/UV和SS引腳連接，確保兩個穩(wěn)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(guān)。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(xiàn)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(wěn)壓器實現(xiàn)同步，且支持180°相移。

圖6 并行使用兩個LT8648S的2MHz 3.3V/25A應(yīng)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(yīng)用實現(xiàn)了不錯的電流均衡。高開關(guān)頻率和外部補償支持實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。圖8顯示圖6所示的電路的負載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7 圖6所示的電路的效率和溫度上升情況

圖8 圖6所示的電路的10A至20A負載瞬態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

本文介紹兩款高電流42V單片式Silent Switcher穩(wěn)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(yīng)用環(huán)境中存在的散熱和EMI問題。LT8638S和LT8648S集成MOSFET，為快速發(fā)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。

關(guān)于作者

Ying Cheng是ADI公司工業(yè)和多市場業(yè)務(wù)團隊的一名應(yīng)用工程師，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。她于2010年加入ADI公司，目前為非隔離式單芯片降壓轉(zhuǎn)換器提供應(yīng)用支持。Ying Cheng在電源管理領(lǐng)域的關(guān)注點包括面向汽車、電信、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的高效率、高功率密度和低EMI的高性能電源轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。她獲得了上海交通大學(xué)的電機工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，以及密蘇里科技大學(xué)（原密蘇里大學(xué)羅拉分校）的電氣工程博士學(xué)位。