低 EMI/EMC 開關轉換器簡化 ADAS 設計

作者：Tony Armstrong

背景知識

ADAS是高級駕駛員輔助系統的英文縮寫，它在當今許多新型汽車和卡車中很常見。此類系統通常有助於安全駕駛；當檢測到周圍物體（例如不遵守交通規則的行人、騎車人，甚至有其他車輛位於不安全的行駛軌跡上）構成風險時，系統可以向駕駛員提供警報！此外，這些系統通常提供自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員睏倦監控、自動制動、牽引控制和夜視等動態特性。因此，消費者對安全性日益增強的重視、對駕駛舒適性的要求以及政府安全法規的不斷增加，是未來十年後半時期汽車ADAS的主要增長動力。

這種增長對行業來說並不是沒有挑戰，包括價格壓力、通貨膨脹、複雜性和系統測試的困難性。此外，歐洲汽車行業是最具創新性的汽車市場之一，這點不足為奇，ADAS的市場滲透率和客戶接受度均有重大突破。不過，美國和日本汽車製造商也不甘落後。最終目標是實現無需人類在方向盤後面干預的自動駕駛！

一般來說，ADAS集成了一些微處理器來收集車內眾多感測器提供的所有輸入，然後進行處理，以便可以將其方便易懂地呈現給駕駛員。此外，這些系統通常由車輛主電池直接供電，其標稱電壓為9 V至18 V，但由於系統內部的電壓瞬變，電壓可能高達42 V，而在冷啟動期間，電壓可能低至3.4 V。因此，這些系統中的任何DC-DC轉換器都必須至少能夠處理3.4 V至42 V的寬輸入電壓範圍。另外，許多雙電池系統（例如卡車中常見的雙電池系統）需要更寬的輸入範圍，上限推高至65 V。因此，一些ADAS製造商將其系統設計為覆蓋3.4 V至65 V的輸入範圍，使其可用於汽車或卡車中，同時在製造過程中獲得規模經濟的好處。

大部分ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數字IC器件供電。相應地，此類系統的製造商更喜歡使用單個轉換器來同時解決單電瓶和雙電瓶配置。此外，該系統通常安裝在車輛中空間和散熱均受限制的部分中，這會給用於散熱目的的散熱器帶來限制。雖然採用高壓DC-DC轉換器直接從電池產生5 V和3.3 V電源軌是司空見慣的，但在如今的ADAS中，開關穩壓器也必須達到2 MHz或更高的開關頻率，而非以前的500 kHz以下開關頻率。這一變化背後的關鍵驅動力是需要更小尺寸的解決方案，同時也要保持在AM頻段之上，以避開任何潛在的干擾。

另外，好像設計人員的任務還不夠複雜一樣，他們還必須確保ADAS符合車內各種抗噪標準。在汽車環境中，開關穩壓器正在取代那些重視低發熱和高效率的區域中的線性穩壓器。而且，開關穩壓器通常是輸入電源匯流排上的第一個有源部件，因此對整個轉換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發射有兩類：傳導和輻射。傳導發射位於連接到產品的電線和走線上。由於該雜訊局限於設計中的特定端子或連接器，因此在開發過程中藉助良好的布局或濾波器設計，通常可以相對容易地保證符合傳導輻射要求。

不過，輻射發射完全是另一回事。電路板上任何承載電流的東西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個銅層都是一個諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會在整個信號頻譜上產生雜訊。即使精心設計，在系統進行測試之前，電源設計人員也並不真正知道輻射發射會有多糟糕——而輻射發射測試只有在設計基本完成之後才能正式進行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率範圍的信號強度，從而降低EMI。通過空間傳播（輻射）的這部分能量可通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。位於PCB走線（傳導）的能量部分可通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來抑制。EMI無法消除，但可以衰減到其他通信和數字器件能夠接受的水平。此外，多家監管機構通過實施相關標準來確保產品合規。

現代輸入濾波器採用表面安裝技術擁有比通孔器件更好的性能。但是，這種改善跟不上開關穩壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開/關時間和更快的開關躍遷，導致諧波含量更高。所有其他參數（如開關容量和轉換時間）保持不變時，開關頻率每增加一倍，EMI就會惡化6 dB。如果開關頻率增加10倍，寬頻EMI就會像輻射增加20 dB的一階高通濾波器一樣。

有經驗的PCB設計人員會將熱環路變小，並讓屏蔽接地層儘可能靠近有源層。儘管如此，器件引腳排列、封裝結構、散熱設計要求以及在去耦元件中儲存充足能量所需的封裝尺寸，都要求某一最小尺寸的熱環路。更複雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線之間高於30 MHz的磁性或變壓器式耦合會削弱所有濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不良磁耦合就越顯著。

低EMI輻射的高電壓DC-DC轉換器

鑒於上文所述的應用限制，ADI公司Power by Linear?部門開發出LT8645S——一款支持高輸入電壓、單晶元、低EMI輻射的同步降壓轉換器。其輸入電壓範圍為3.4 V至65 V，因而既適合汽車應用，也適合卡車應用，包括ADAS，後者必須勝任冷啟動和啟停場景下的調節，最低輸入電壓低至3.4 V，電源切斷瞬變超過60 V。如圖1所示，該器件採用單通道設計，提供5 V、8 A輸出。開關頻率為2 MHz時，其同步整流拓撲可實現高達94%的效率，而在空載待機條件下，突發工作模式(Burst Mode?)保持靜態電流低於2.5 μA，因此非常適合始終開啟的系統使用。

圖1. 提供5 V、8 A、2 MHz輸出的LT8645S原理圖

LT8645S的開關頻率可以在200 kHz到2.2 MHz範圍內進行編程，並且在整個頻率範圍內都支持同步。其獨特的Silent Switcher? 2架構集成了內部輸入電容以及內部BST和INTVCC電容，以縮小解決方案尺寸。結合嚴格受控的開關邊沿和集成接地層的內部結構，並用銅柱代替鍵合線，LT8645S的設計大大降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設計還能在任何印刷電路板（PCB，包括2層PCB）上提供魯棒的EMI性能。而且，與其他類似轉換器相比，它對PCB布局的敏感度要低得多。這是因為，LT8645S的內部雙路輸入、BST和INTVCC電容將熱環路面積減至最小，使性能達到新的水平。它仍然需要兩個外部輸入電容，但不再嚴格要求把這些電容放在儘可能靠近輸入引腳的位置。結合內部電容（其使熱環路面積最小），BT襯底的集成接地層使EMI性能顯著提高（見圖2）。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的圖案，同時支持實現大型接地焊盤。這種層壓式QFN (LQFN)封裝比標準QFN更柔韌且更靈活，其焊點可靠性在板級溫度循環期間表現出好得多的性能，使得客戶在以前只能使用含鉛器件的情況下可以使用LQFN。

在整個負載範圍內，LT8645S可以輕鬆符合汽車CISPR25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用擴頻頻率調製進一步降低EMI水平（圖2）。LT8645S內置高效率頂部和底部功率開關，並將必要的升壓二極體、振蕩器以及控制和邏輯電路集成到單個晶元中。低紋波突發工作模式可在低輸出電流下保持高效率，同時使輸出紋波低於10 mV p-p。最後，LT8645S採用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。

圖2. LT8640S輻射EMI性能圖

結論

ADAS在汽車和卡車市場中的推廣不會很快結束。同樣清楚的是，找到合適的功率轉換器件以滿足所有必要的性能指標，從而不干擾ADAS，不是一項簡單的任務。幸運的是，此類汽車系統的設計人員現在可以獲得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC轉換器提供的強大性能和能力。這些器件不僅大大簡化了電源設計人員的工作，同時還提供其所需要的全部性能，而不要求複雜的布局或設計技術。

作者

Tony Armstrong是電源產品營銷總監，於2000年5月加入公司。他負責電源轉換和管理產品方面從概念到停產的所有事情。加入ADI公司之前，Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.歐洲公司擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他於1981年畢業於英格蘭曼徹斯特大學，獲得應用數學（榮譽）學士學位。

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