低EMI／EMC辐射开关转换器简化了ADAS设计
作者：Tony Armstrong
ADAS是高级驾驶辅助系统的首字母缩写，在当今许多新汽车和卡车中都很常见。这些系统通常有助于安全驾驶，如果系统检测到周围物体的风险，例如错误的行人、骑自行车的人，甚至是不安全轨道上的其他车辆，可以为驾驶员提供警报！此外，这些系统通常提供动态功能，如自适应巡航控制、盲点检测、车道偏离警告、驾驶员睡意监控、自动制动、牵引力控制和夜视。因此，消费者对安全性的日益关注、对驾驶舒适性的需求以及政府安全法规的持续增加是本十年后半期汽车ADAS的主要增长动力。
这种增长对行业来说并非没有挑战，包括定价压力、通货膨胀、复杂性和测试这些系统的难度。此外，毫不奇怪，欧洲汽车行业是最具创新性的汽车市场之一，因此，它已经看到了客户对ADAS的主要市场渗透和采用。尽管如此，美国和日本汽车制造商也不甘落后。最终目标是一台自动驾驶机器，不需要有人在方向盘后面！
系统挑战
一般来说，ADAS集成了某种微处理器，以收集来自车辆内众多传感器的所有输入，然后对其进行处理，以便能够以易于理解的方式轻松呈现给驾驶员。此外，这些系统通常直接由车辆的主电池供电，汽车中的标称电压为9 V至18 V，但由于系统内的电压瞬变，可能高达42 V，在冷启动条件下低至3.4 V。因此，这些系统中的任何DC-DC转换器都必须能够处理至少3.4 V至42 V的宽输入电压范围。此外，许多双电池系统（例如卡车中常见的双电池系统）需要更宽的输入范围，将上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商将其系统设计为覆盖3.4 V至65 V输入范围，以便可用于汽车或卡车;同时在制造过程中获得规模经济。
许多ADAS使用5 V和3.3 V电源轨为其各种模拟和数字IC内容供电;相应地，此类系统的制造商更喜欢使用单个转换器来同时处理单电池和双电池配置。此外，该系统通常安装在车辆空间和热受限的部件中，从而限制了可用于冷却目的的散热器。虽然使用高压DC-DC转换器直接从电池产生5 V和3.3 V电源轨是司空见惯的，但在当今的ADAS中，开关稳压器也必须以2 MHz或更高的频率进行开关，而不是低于500 kHz的历史开关频率。这一变化背后的关键驱动力是需要更小的解决方案尺寸，同时还要保持在AM频段以上，以避免任何潜在的干扰。
此外，如果设计人员的任务还不够复杂，他们还必须确保ADAS符合车辆内的各种抗噪标准。在汽车环境中，开关稳压器正在重视低散热和效率的领域取代线性稳压器。此外，开关稳压器通常是输入电源总线上的第一个有源元件，因此对整个转换器电路的EMI性能有重大影响。
EMI发射有两种类型：传导和辐射。传导辐射依赖于连接到产品的电线和走线。由于噪声局限于设计中的特定端子或连接器，因此通过良好的布局或滤波器设计，通常可以在开发过程的相对较早的阶段确保符合传导辐射要求。
然而，辐射发射完全是另一回事。电路板上承载电流的所有东西都会辐射电磁场。电路板上的每一条走线都是天线，每个铜平面都是谐振器。除纯正弦波或直流电压外，任何东西都会在整个信号频谱中产生噪声。即使经过精心设计，电源设计人员在系统测试之前也永远不会真正知道辐射发射会有多糟糕，并且在设计基本完成之前无法正式执行辐射发射测试。
滤波器通常用于通过在一定频率或一定频率范围内衰减强度来降低EMI。通过空间传播的能量的一部分（辐射）通过添加金属和磁屏蔽来衰减。通过添加铁氧体磁珠和其他滤波器来驯服位于PCB走线（导电）上的部分。EMI无法消除，但可以衰减到其他通信和数字组件可接受的水平。此外，一些监管机构执行标准以确保合规性。
采用表面贴装技术的现代输入滤波器元件比通孔器件具有更好的性能。然而，开关稳压器工作开关频率的增加超过了这种改进。更高的效率、更低的最小导通和关断时间由于开关转换速度更快，导致更高的谐波含量。开关频率每增加一倍，EMI就会降低6 dB，而所有其他参数（如开关容量和转换时间）保持不变。宽带EMI的行为类似于一阶高通滤波器，如果开关频率增加10倍，则发射将高出20 dB。
精明的PCB设计人员将使热回路变小，并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而，器件引脚排列、封装结构、热设计要求以及去耦元件中充分储能所需的封装尺寸决定了最小热回路尺寸。更复杂的是，在典型的平面印刷电路板中，30 MHz以上走线之间的磁性或变压器式耦合将减少所有滤波器工作，因为谐波频率越高，不需要的磁耦合就越有效。
具有低EMI辐射的高压DC-DC转换器
正是由于前面描述的应用限制，ADI公司的Power by Linear™ Group开发了LT8645S，这是一款支持高输入电压的单片式同步降压转换器，还具有低EMI辐射。其 3.4 V 至 65 V 输入电压范围使其成为汽车和卡车应用的理想选择，包括 ADAS，这些应用必须在冷启动和启停情况下进行调节，最小输入电压低至 3.4 V，抛负载瞬变超过 60 V。如图1所示，该器件采用单通道设计，在5 V时提供8 A输出。其同步整流拓扑在 2 MHz 开关频率下提供高达 94% 的效率，而突发模式操作可在空载待机条件下将静态电流保持在 2.5 μA 以下，使其成为始终接通系统的理想选择。®
图1.LT8645S原理图在2 MHz时提供5 V/8 A输出。
LT8645S的开关频率可在200 kHz至2.2 MHz范围内编程，并在整个范围内同步。其独特的静音切换器 2 架构集成了内部输入电容器以及内部 BST 和 INTV®抄送电容器，以减少解决方案的占位面积。结合控制良好的开关边沿和具有集成接地层的内部结构以及使用铜柱代替键合线，LT8645S 的设计大大降低了 EMI 辐射。此外，其静音切换器 2 设计还可在任何印刷电路板 （PCB） 上提供强大的 EMI 性能，包括 2 层 PCB。此外，与其他同类转换器相比，它对PCB布局的敏感性要低得多。这种新的性能水平归功于LT8645S的内部双输入BST和INTV抄送最小化热回路面积的电容器。它仍然需要双路外部输入电容，但将它们放置在尽可能靠近输入引脚的要求大大放宽。结合内部电容，最大限度地减少了热回路的面积，BT基板的集成接地层显著改善了EMI性能（见图2）。多层 BT 基板还使 I/O 引脚能够使用与 QFN 封装完全相同的模式，同时支持大型接地散热焊盘。这种基于层压的 QFN （LQFN） 封装比标准 QFN 更柔韧、更灵活，并且在板级温度循环期间表现出更好的焊点可靠性性能，允许客户使用 LQFN，而以前他们只能使用引线部件。
LT8645S可在整个负载范围内轻松通过汽车CISPR25的5类峰值EMI限值。扩频频率调制也可用于进一步降低 EMI 水平（图 2）。LT8645S 采用内部顶部和底部高效率电源开关，并将必要的升压二极管、振荡器以及控制和逻辑电路集成到单个芯片中。低纹波突发模式操作可在低输出电流下保持高效率，同时将输出纹波保持在 10 mV p-p 以下。最后，LT8645S采用小型耐热性能增强型4 mm×6 mm、32引脚LQFN封装。
图2.LT8640S辐射EMI性能图。
结论
ADAS在汽车和卡车中的扩散不会很快结束。同样明显的是，找到满足所有必要性能指标的合适电源转换器件，以免干扰ADAS并非易事。幸运的是，这些汽车系统的设计人员现在可以拥有ADI公司的静音开关2DC-DC转换器所提供的高性能功能。它们不仅大大简化了电源设计人员的任务，而且无需复杂的布局或设计技术即可同时提供所需的所有性能。
