低EMI/EMC開關(guān)轉(zhuǎn)換器簡化ADAS設(shè)計

背景知識

ADAS是高級駕駛員輔助系統(tǒng)的英文縮寫，它在當(dāng)今許多新型汽車和卡車中很常見。此類系統(tǒng)通常有助于安全駕駛；當(dāng)檢測到周圍物體（例如不遵守交通規(guī)則的行人、騎車人，甚至有其他車輛位于不安全的行駛軌跡上）構(gòu)成風(fēng)險時，系統(tǒng)可以向駕駛員提供警報！此外，這些系統(tǒng)通常提供自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測、車道偏離警告、駕駛員困倦監(jiān)控、自動制動、牽引控制和夜視等動態(tài)特性。因此，消費(fèi)者對安全性日益增強(qiáng)的重視、對駕駛舒適性的要求以及政府安全法規(guī)的不斷增加，是未來十年后半時期汽車ADAS的主要增長動力。

這種增長對行業(yè)來說并不是沒有挑戰(zhàn)，包括價格壓力、通貨膨脹、復(fù)雜性和系統(tǒng)測試的困難性。此外，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車市場之一，這點(diǎn)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，美國和日本汽車制造商也不甘落后。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無需人類在方向盤后面干預(yù)的自動駕駛！

系統(tǒng)難題

一般來說，ADAS集成了一些微處理器來收集車內(nèi)眾多傳感器提供的所有輸入，然后進(jìn)行處理，以便可以將其方便易懂地呈現(xiàn)給駕駛員。此外，這些系統(tǒng)通常由車輛主電池直接供電，其標(biāo)稱電壓為9 V至18 V，但由于系統(tǒng)內(nèi)部的電壓瞬變，電壓可能高達(dá)42 V，而在冷啟動期間，電壓可能低至3．4 V。因此，這些系統(tǒng)中的任何DC－DC轉(zhuǎn)換器都必須至少能夠處理3．4 V至42 V的寬輸入電壓范圍。另外，許多雙電池系統(tǒng)（例如卡車中常見的雙電池系統(tǒng)）需要更寬的輸入范圍，上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商將其系統(tǒng)設(shè)計為覆蓋3．4 V至65 V的輸入范圍，使其可用于汽車或卡車中，同時在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(shù)字IC器件供電。相應(yīng)地，此類系統(tǒng)的制造商更喜歡使用單個轉(zhuǎn)換器來同時解決單電瓶和雙電瓶配置。此外，該系統(tǒng)通常安裝在車輛中空間和散熱均受限制的部分中，這會給用于散熱目的的散熱器帶來限制。雖然采用高壓DC－DC轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)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(guān)穩(wěn)壓器也必須達(dá)到2 MHz或更高的開關(guān)頻率，而非以前的500 kHz以下開關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅(qū)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(shè)計人員的任務(wù)還不夠復(fù)雜一樣，他們還必須確保ADAS符合車內(nèi)各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)。在汽車環(huán)境中，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代那些重視低發(fā)熱和高效率的區(qū)域中的線性穩(wěn)壓器。而且，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個有源部件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的EMI性能有著重要影響。

EMI發(fā)射有兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射位于連接到產(chǎn)品的電線和走線上。由于該噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器，因此在開發(fā)過程中借助良好的布局或濾波器設(shè)計，通?？梢韵鄬θ菀椎乇ＷC符合傳導(dǎo)輻射要求。

不過，輻射發(fā)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(chǎn)生噪聲。即使精心設(shè)計，在系統(tǒng)進(jìn)行測試之前，電源設(shè)計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕——而輻射發(fā)射測試只有在設(shè)計基本完成之后才能正式進(jìn)行。

常常使用濾波器來衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強(qiáng)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。位于PCB走線（傳導(dǎo)）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(shù)字器件能夠接受的水平。此外，多家監(jiān)管機(jī)構(gòu)通過實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確保產(chǎn)品合規(guī)。

圖1．提供5 V、8 A、2 MHz輸出的LT8645S原理圖

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

有經(jīng)驗的PCB設(shè)計人員會將熱環(huán)路變小，并讓屏蔽接地層盡可能靠近有源層。盡管如此，器件引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、散熱設(shè)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(huán)路。更復(fù)雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線之間高于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。