你的位置:首頁 > EMC安規(guī) > 正文
高功率單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器 滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 限制要求
發(fā)布時間:2018-10-26 來源:Hua (Walker) Bai、Dong Wang 和 Ying Cheng 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著汽車中電子系統(tǒng)數(shù)量的成倍增加,車內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾的風(fēng)險也大幅升高了。因此,新式車輛中的電子產(chǎn)品常常必須符合 CISPR 25 Class 5 EMI 測試標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)對傳導(dǎo)型和輻射型 EMI 發(fā)射做了嚴(yán)格的限制。由于其本身的性質(zhì),開關(guān)電源充斥著 EMI,并在整個汽車中“彌漫擴(kuò)散”。如今,低 EMI 與小的解決方案尺寸、高效率、散熱能力、堅(jiān)固性和易用性一起,成為了對汽車電源的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器系列可滿足汽車制造商嚴(yán)格的 EMI 要求,同時擁有緊湊的尺寸以及集成化 MOSFET 和高電流能力。
已獲專利的* Silent Switcher 技術(shù)在高頻、高功率電源中實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的 EMI 性能。作為這項(xiàng)技術(shù)的下一代,Silent Switcher 2 簡化了電路板設(shè)計和制造,其所采取的方法是把熱環(huán)路電容器納入到封裝中,因此 PCB 布局對于 EMI 的影響極小。
Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SOC 供電
當(dāng)今 (及未來) 車輛上所使用的片內(nèi)系統(tǒng) (SOC) 器件與前幾代同類產(chǎn)品幾乎沒有什么相似之處。信息娛樂系統(tǒng)和車輛安全系統(tǒng)之特性和功能的指數(shù)性增加迫切要求 SOC 處理數(shù)據(jù)的速度比過去提高幾個數(shù)量級,包括以極少的延遲處理來自多個信號源的高分辨率視頻數(shù)據(jù)。例如,倘若汽車的前置攝像頭“看到”了某種危險,則汽車必須立刻做出響應(yīng),要么提醒駕駛者注意,要么剎車制動。為了滿足最新的計算需求,SOC 在其封裝中集成了越來越多的高耗電器件,可是,將怎樣提供這些所需的功率呢? 在汽車中,功率輸送方案必須具有高效、緊湊和低 EMI 的特點(diǎn)。SOC 增加的需求使得它們更難以滿足。
比如,一個 R-Car H3 SOC 包含 8 個 ARM 內(nèi)核、DSP、視頻和圖形處理器、以及輔助的支持器件。所有這些組件均需要可靠的電源,包括三個用于外設(shè)和輔助組件的電源軌 (5V、3.3V 和 1.8V)、兩個用于 DDR3 和 LPDDR4 的電源軌 (1.2V 和 1.1V)、和另一個用于內(nèi)核的電源軌 (0.8V)。
為了支持 SOC 所需的電流水平,具有外部 MOSFET 的開關(guān)電源控制器是優(yōu)先于單片式電源器件的傳統(tǒng)選擇方案。單片式器件因其內(nèi)部 MOSFET 最大限度縮減了成本和解決方案尺寸而引人注目,但是它們在傳統(tǒng)上受限的電流能力和存在的熱問題則通常限制了其使用。LT8650S 和一個新的單片式降壓型 Silent Swicther 穩(wěn)壓器系列擁有支持 SOC 的電流能力和熱管理特性。
由于具備高效率和熱管理特性,因此 Power by Linear™ LT®8650S、LT8609S 和 LT8645S 的輸出電流能力比典型單片式穩(wěn)壓器高得多。3V 至 42V (對于 LT8645S 則為 65V) 的輸入電壓范圍涵蓋了汽車電池的各種電量條件。這些單片式 IC 具有集成的 MOSFET,并能以高于 2MHz 的頻率運(yùn)行,因而縮減了解決方案尺寸和成本,同時避開了 AM 頻段。Silent Switcher 穩(wěn)壓器專為最大限度降低 EMI 而設(shè)計,從而使其成為適合 SOC 的一種熱門選擇。
雙輸出:5V/4A 和 1V/4A
圖 1 示出了一款雙輸出 (2MHz 5V/4A 和 1V/4A) 解決方案,其采用了 LT8650S 的兩個通道。這款電路可容易地進(jìn)行修改以適合其他的輸出組合,包括諸如 3.3V 和 1.8V 或 3.3V 和 1.1V 等,以利用 LT8650S 的寬輸入范圍。LT8650S 還可用作第一級轉(zhuǎn)換器,后隨用于提供更多輸出的各種較低功率第二級開關(guān)穩(wěn)壓器或 LDO 穩(wěn)壓器。
圖 1:采用 LT8650S 兩個通道的雙輸出 (5V/4A 和 1.0V/4A) 解決方案
LT8650S 運(yùn)用了可消除 EMI 的 Silent Switcher 2 設(shè)計,具有集成的熱環(huán)路電容器,旨在最大限度減小噪聲天線尺寸。結(jié)合集成化 MOSFET,這實(shí)現(xiàn)了異常優(yōu)越的 EMI 性能。
圖 2:適合 SOC 應(yīng)用的 4 相、3.3V/16A、2MHz 解決方案
適用于 SOC 的 16A 解決方案
圖 2 示出了一款用于提供 SOC 電源的 3.3V/16A、四相解決方案。圖 3 示出了輻射 EMI 測試結(jié)果。
圖 3:圖 2 所示解決方案的輻射 EMI 測試結(jié)果
另外,汽車 SOC 還對電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有著極高的要求。外設(shè)電源的負(fù)載電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 100A/µs (內(nèi)核電源則更高) 的情況并不少見。無論負(fù)載的變化情況如何,電源都必須最大限度減小輸出電壓瞬變??焖匍_關(guān)頻率 (比如 LT8650S 系列能達(dá)到 2MHz) 有助于加快瞬變恢復(fù)的速度。在采用正確環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r下,較快的開關(guān)頻率對應(yīng)于較快的動態(tài)響應(yīng)。圖 2 給出了適合的組件值。在電路板布局中,應(yīng)盡量地減小從電路的輸出電容器至負(fù)載的走線電感,這一點(diǎn)也是至關(guān)緊要的。圖 4 給出了圖 2 所示解決方案的瞬態(tài)測試結(jié)果。
圖 4:圖 2 所示解決方案的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
針對較低功率應(yīng)用的高效率、緊湊型解決方案
除了諸如 SOC 和 CPU 等低電壓、高電流應(yīng)用之外,汽車和其他車輛還需要用于眾多低電流負(fù)載的電源,例如:儀表板、平視顯示器、車聯(lián)網(wǎng) (V2X)、傳感器、USB 充電器,等等。
由于可用空間和電池電量受限,因此對于電源轉(zhuǎn)換器來說,高效率和小解決方案尺寸是最重要的要求。低噪聲是前提條件。LT8609S 是一款針對所有這些應(yīng)用的合適解決方案。該器件設(shè)計了針對汽車電池條件的 3V 至 42V 輸入電壓范圍。集成的 MOSFET、內(nèi)置的補(bǔ)償電路和 2MHz 的工作頻率最大限度減小了 LT8609S 解決方案尺寸。在 LT8609S 中運(yùn)用了 Silent Switcher 2 技術(shù)和集成型熱環(huán)路電容器,以盡量地降低噪聲電平并提供優(yōu)異的效率指標(biāo)以及卓越的 EMI 性能。圖 5 示出了采用 LT8609S 的 2MHz、5V/2A 應(yīng)用。
圖 5:采用 LT8609S 的 2MHz 5V/2A 應(yīng)用
圖 6 示出了一款安置在兩層電路板上的完整 LT8609S 穩(wěn)壓器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和內(nèi)置補(bǔ)償電路把組件數(shù)目減少為器件本身和少量的外部組件。再加上高速開關(guān)頻率,該典型應(yīng)用的核心解決方案總體尺寸僅為 11.5mm x 12.3mm。
圖 6:LT8609S 兩層電路板的小解決方案尺寸
降低解決方案成本的一種方法是盡量減少所需的 PCB 層數(shù),但是這需要以犧牲性能為代價是可以預(yù)料到的。例如,就所實(shí)現(xiàn)的 EMI 性能而言,兩層電路板解決方案與四層電路板解決方案預(yù)計是不等同的。圖 7 中的 EMI 測試結(jié)果顯示:采用兩層電路板的 LT8609S 可滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 輻射限制要求。對采用兩層和四層電路板的等效解決方案之 EMI 性能進(jìn)行了比較。
圖 7:(a) 采用一塊兩層電路板的 LT8609S 之平均輻射 EMI 測試結(jié)果顯示了在啟用擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制功能時以進(jìn)一步降低 EMI 的情況。(b) 裝有 LT8609S 的兩層和四層電路板的峰值輻射 EMI 性能比較。
一般來說,Silent Switcher 2 技術(shù)可在采用兩層甚至單層電路板的情況下獲得極佳的 EMI 性能,因而能夠極大地降低制造成本。
當(dāng)使用的電路板層數(shù)較少時,熱性能通常是一個讓人擔(dān)心的問題,但是在采用 LT8609S 時情況則不是這樣。Silent Switcher 2 技術(shù)的低噪聲電平和高效率具有的優(yōu)勢是開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的功率損耗很低。這與增強(qiáng)型散熱封裝相結(jié)合,使 LT8609S 展現(xiàn)出驕人的熱性能。圖 8 示出了兩層電路板和四層電路板之間的熱性能對比。由圖可見,對于 12V 電池輸入,LT8609S 在滿負(fù)載條件下工作時的溫升差異小于 11°C。
圖 8:裝有 LT8609S 的兩層和四層電路板的熱性能比較。
面向 48V 汽車系統(tǒng)的 Silent Switcher 2 解決方案
傳統(tǒng)車輛采用 12V 電池以為點(diǎn)火、照明、音頻和信息娛樂電子設(shè)備、安全功能裝置及其他系統(tǒng)供電。不幸的是,12V 汽車系統(tǒng)的供電能力被限制在 3kW,而數(shù)量龐大的汽車電子產(chǎn)品對這道“界限”發(fā)起的挑戰(zhàn)日益增多。
這個問題,再加上電動汽車和自動駕駛系統(tǒng)的出現(xiàn),對功率輸送規(guī)范提出了挑戰(zhàn),汽車行業(yè)隨之將轉(zhuǎn)向 48V 電池電源作為一種解決方案。與 12V 電氣系統(tǒng)相比,48V 電氣系統(tǒng)在功率需求很高的情況下可降低配電損耗,從而改善整體效率。
在 48V 系統(tǒng)中,對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提出的挑戰(zhàn)是必需保持與 12V 系統(tǒng)相似的轉(zhuǎn)換效率、尺寸和低 EMI,而此時,高降壓比使得這些規(guī)格指標(biāo)的滿足更加困難。由采用 48V 電池電源產(chǎn)生的好處不應(yīng)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換過程中白白丟失。能夠以 2MHz 頻率運(yùn)行以避免干擾 AM 頻段的單片式開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合 48V 汽車電氣系統(tǒng),只要它們能高效地做到這一點(diǎn)就行。
能夠接受 48V 標(biāo)稱輸入的單片式降壓型穩(wěn)壓器數(shù)量有限,它們大多支持小于 5A 的負(fù)載電流。LT8645S 單片式降壓型穩(wěn)壓器可依靠高達(dá) 65V 的輸入電壓支持 8A 負(fù)載。其 40ns 的最短接通時間 (TON) 和快速干凈的開關(guān)邊沿 (圖 9) 可實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率和高效率 (在 2MHz 時高達(dá) 94%)。
圖 9:單片式 Silent Switcher 器件采用 MOSFET 驅(qū)動器設(shè)計,可產(chǎn)生快速、干凈的開關(guān)邊沿。這實(shí)現(xiàn)了高效率,即使在高頻操作情況下也不例外。另外,創(chuàng)新的驅(qū)動器還最大限度減少了過沖,并抑制了振鈴,而在采用其他驅(qū)動器時這些將成為產(chǎn)生 EMI 的一個來源。
集成化補(bǔ)償電路和旁路電容器最大限度減小了總體解決方案尺寸,并簡化了低 EMI 布局。利用一個簡單的鐵氧體磁珠濾波器,LT8645S 能夠通過 CISPR 25 Class 5 EMI 規(guī)格限制,并留有裕度。
圖 10 示出了采用 LT8645S 的超低 EMI 2MHz、5V/8A 應(yīng)用。圖 11 示出了 LT8645S 的效率,圖 12 顯示了 LT8645S 解決方案尺寸。
圖 10:采用 LT8645S 的超低 EMI 5V/8A 應(yīng)用
圖 11:用于該超低 EMI 解決方案時的 LT8645S 效率
圖 12:LT8645S 演示電路的小解決方案尺寸
LT8645S 擁有支持高降壓比的非凡能力,甚至當(dāng)工作在高開關(guān)頻率時也是如此,這得益于其 40ns 的最短接通時間。例如,LT8645S 能在 1MHz 開關(guān)頻率下從一個高達(dá) 30V 的輸入產(chǎn)生 1.8V 輸出。如果跳過某些開關(guān)周期是可以接受的,那么輸入可升高至 65V 的絕對最大額定值。
當(dāng)輸出低于 3.1V 時,LT8645S 的 BIAS 引腳應(yīng)連接至一個高于 3.1V 的外部電源以改善效率。如果沒有這樣的電源可用,則將 BIAS 引腳連接至 GND。圖 13 示出了一款可在 65V 輸入瞬變情況下正常工作的 1MHz 1.8V/8A 解決方案。
圖 13:采用 LT8645S 的 1MHz 1.8V/8A 應(yīng)用電路能承受高達(dá) 65V 的輸入瞬變
除了低 EMI、可在高頻條件下實(shí)現(xiàn)高效率、并具有寬輸入電壓范圍之外,LT8645S 的特點(diǎn)還包括超低靜態(tài)電流和低壓差。在閑置狀態(tài)下,超低的靜態(tài)電流能夠延長電池運(yùn)行時間。低壓差特性對于在冷車發(fā)動情況下持續(xù)運(yùn)作是至關(guān)緊要的。
結(jié)論
Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器可滿足汽車環(huán)境苛刻的 EMI 輻射要求。請見表 1 羅列的 Silent Switcher 器件,其中包括本文介紹的幾款產(chǎn)品。
在本文著重介紹的器件中,LT8650S 雙通道同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SOC 應(yīng)用提供了寬輸入電壓范圍、優(yōu)異的 EMI 性能和小的解決方案尺寸,同時還可提供多個高電流輸出和快速瞬態(tài)響應(yīng)。LT8609S 同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器提供了寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、卓越的 EMI 性能、小的解決方案尺寸和高效率,該器件能夠容易地滿足當(dāng)今汽車中無處不在的電源系統(tǒng)之要求。LT8645S (輸入至 65V) 可構(gòu)成適合 48V 汽車系統(tǒng)的緊湊型低 EMI 解決方案。
表 1。低 EMI Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 (“S”)同步降壓型穩(wěn)壓器。對在本文中描述的器件做了突出顯示。
注釋
* Silent Switcher 是獲專利授權(quán)的技術(shù),專利號為 8823345。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會者蒞臨SPS 2024?展會參觀交流,體驗(yàn)最新自動化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
音頻IC
音頻SoC
音頻變壓器
引線電感
語音控制
元件符號
元器件選型
云電視
云計算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動器
振動設(shè)備
震動馬達(dá)
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機(jī)
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機(jī)
中電華星
中電器材
中功率管
中間繼電器