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汽車設計需要低EMI同步降壓轉換器

上網時間: 2015年08月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMI  同步降壓轉換器  LT8640  電源管理IC  電磁干擾 

作者:Jeff Gruetter,凌力爾特產品行銷工程師

在汽車的發展中,不斷持續增加著電子系統以提高安全性、舒適性、效率和性能,同時將有害廢氣排放降至最低,所以汽車需要實體尺寸更小、功率更大的電源解決方案。此外,隨著汽車中EMI敏感系統的激增,降低開關電源的EMI更至關重要,這也為開關穩壓器IC設計帶來了更多挑戰。

Strategy Analytics的研究指出:“未來 7 年,這一需求將使半導體元件以每年5%的平均年複合成長率(CAAGR)成長,到2021年時,總體市場規模將超過410億美元,而2014年該數字則為289億美元。”該公司分析發現,超過40%的收入將來自對微控制器和功率半導體元件的需求。

Strategy Analytics對汽車中電子系統的成長提供了非常量化的預測,不過更有趣的是,在這種成長中,電源IC發揮了普遍的作用。這類新型電源IC設計必須具備以下特點:

1、可在寬廣電壓範圍內提供可靠性能,包括處理超過36V的暫態;

2、具超低電磁干擾(EMI)輻射電磁干擾;

3、提供最高效率,以便將過熱問題降至最低,同時最佳化電池運作時間電磁干擾;

4、解決方案面積最小,需要非常大功率密度以及2MHz或更高的開關頻率,以保持開關雜訊落在AM無線電頻段以外,同時保持小解決方案面積電磁干擾;

5、具超低靜態電流(<10uA)以實現始終保持導通系統(例如保全、環境控制和資訊娛樂系統)在引擎(交流發電機)不運轉的情況下保持工作狀態,同時不會消耗汽車的電池電量。

提高電源IC性能的目的,是實現日益複雜和大量的電子系統設計。在汽車的每一個方面都能看到驅動這種成長的應用。例如新型安全行車系統,這包括車道監視、自我調整安全行車控制、自動轉向和前燈調光。資訊娛樂系統(車載多媒體系統)也在持續演變,為了在一個已經很擁擠的空間中容納越來越多的功能,該系統還必須支援日益增加的雲端應用。

此外,還有先進的引擎管理系統具備停—啟系統和大量採用電子產品的變速器和引擎控制系統,以及旨在同時提高性能、行車安全和舒適度的傳動系統以及底盤管理系統。10 年前,這些系統僅出現在高階豪華型汽車中,但是今天在每個製造商的汽車中都屬於常見系統,這進一步加速了汽車電源IC的成長。圖1顯示當今汽車中常見的大量電子系統。


圖 1:汽車中的電子系統正不斷激增

儘管汽車中的電池匯流排電壓通常為12V(在9V至16V之間變化,取決於何時交流發電機充電)。此外,在各種臨時條件下,鉛酸電池電壓受多種變化影響。冷啟動和停-啟情況可能將電池電壓拉低至3.5V,而拋載可能使電池匯流排電壓高達36V。因此,電源IC必須能夠在多種輸入電壓變化情況下準確地調節輸出。在冷啟動/停-啟和拋載時,單顆鉛酸電池的寬廣臨時電壓擺幅如圖2所示。值得注意的是,合適的電源IC(此處為LT8640)在出現上述情況時準確地調節了3.3V輸出。


圖2:在36V負載突降暫態和4V冷啟動情況下LT8640的表現

低EMI作業

由於汽車電氣環境存在固有雜訊,很多應用對電磁干擾(EMI)是相當敏感的,所以迫在眉睫的是開關穩壓器不能加重EMI問題。由於一般情況下,開關穩壓器是輸入電源匯流排上的第一個主動元件,所以無論下游轉換器性能如何,開關穩壓器都會對總體轉換器EMI性能產生顯著影響。因此最大限度降低EMI是非常緊迫的任務。過去採用的解決方案,是使用一個EMI遮罩盒,但是這大幅增加了解決方案的成本和尺寸,同時使熱量管理、測試和製造更加複雜。電源管理IC內部可以採取的另一種解決方案是降低內部MOSFET開關邊緣的速率。

不過,這會產生不良的影響,使其降低效率,並延長最短導通時間,影響了IC在2MHz或更高開關頻率時提供低工作週期的能力。由於人們希望擁有高效率和小尺寸解決方案,所以這不是一個可行的解決方案。幸運的是,市場上已經推出了一些獨特的電源IC設計,以同時實現快速開關頻率、非常高的效率和很短的最短導通時間。這些設計一般具備低20dB以上的EMI輻射,同時提供2MHz開關頻率和95%的效率。有些還提供擴展頻譜功能,這可以將EMI輻射再降低10dB。此性能無需額外增加元件或遮罩就可以實現,從而在開關穩壓器設計領域實現了重要突破。

(下一頁繼續:實現高效率作業)


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