以低 EMI/EMC 輻射的開關轉換器減輕 ADAS 設計負擔

ADI 電源產品部產品市場總監Tony Armstrong

背景資訊

ADAS 是"先進駕駛輔助系統 (Advanced Driver Assistance Systems)"英文的首字母縮寫名詞,常見於今日許多新型的轎車和卡車之中。這類系統通常更容易實現安全駕駛,而且如果系統偵測到來自周圍物體的風險,例如行為不當的行人、騎行者甚至其他行駛方向不安全的車輛等,還能夠提醒駕駛員。此外,這類系統一般提供動態功能,例如自我調整巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員疲倦監視、自動刹車、牽引力控制和夜視。因此,目前消費者越來越關注安全問題、提高駕駛舒適度的需求以及政府安全監管的日益加強,而這也是對於汽車 ADAS 需求日漸成長的主要驅動因素。

這種成長的態勢也伴隨著對業界的挑戰,包括價格壓力、通貨膨脹以及這類系統的測試複雜性。此外,歐洲汽車產業是最具創新性的汽車行業之一,因此,ADAS 大舉進入歐洲市場、使得歐洲客戶大量採用這類系統的現象也就不足為奇了。不過,美國和日本的汽車製造商也並未落後許多。汽車產業的終極目標,是提供無需人坐在方向盤後面的自主駕駛!

系統挑戰

一般而言,ADAS 系統採用某種處理器來收集汽車中無數感測器提供的所有輸入資訊,然後處理這些資訊,以便能夠方便地、以非常容易理解的方式將資訊呈現給駕駛。此外,這類系統通常直接由汽車的主電池供電,汽車中主電池的標稱電壓為 9V 至 18V,但是由於系統內的電壓暫態,這一電壓可能高達 42V,而在冷啟動情況下可能低至 3.4V。因此,這類系統中的任何 DC/DC 轉換器都必須至少能夠因應 3.4V 至 42V 的寬廣輸入電壓範圍。此外,很多雙電池系統,例如卡車中常見的雙電池系統類型,甚至需要更寬廣的輸入範圍,因此將電壓範圍的上限推高至 65V。結果是,有些 ADAS 製造商將其系統設計為可涵蓋 3.4V 至 65V 輸入電壓範圍,以便其系統既能夠運用在轎車中,也能夠運用在卡車中,同時在製造過程中獲得規模經濟性。

很多 ADAS 系統透過 5V 和 3.3V 軌為各種類比和數位 IC 元件供電,而相對地,這類系統的製造商也喜歡使用單個轉換器同時因應單電池和雙電池配置。此外,這類系統通常安裝在車輛的某一部分上,而汽車在空間和熱量方面都受到限制,因此限制了實現冷卻的散熱能力。儘管透過高壓 DC/DC 轉換器直接從電池產生 5V 和 3.3V 軌較為常見,但是在如今的 ADAS 系統中,開關穩壓器還是必須以 2MHz 或更高的頻率切換,而不是過去低於 500kHz 的開關頻率。這種變化背後的關鍵驅動力,是需要占板面積更小的解決方案,同時頻率保持高於 AM 頻段以避免潛在的干擾。

此外,設計者的任務還不只於此,他們還必須確保ADAS 系統符合汽車中各種抗雜訊標準的要求。在汽車環境中,低熱量和高效率對有些區域很重要,在這些區域,切換開關穩壓器正在取代線性穩壓器。另外,切換開關穩壓器一般是輸入電源匯流排上的第一個主動元件,因此對整個轉換器電路的 EMI 性能具有重大影響。

EMI 輻射有兩種類型:傳導型和輻射型。傳導型輻射依靠連接產品的導線和佈線來傳播。既然雜訊位於設計中特定的端子或連接器處,那麼正如已經提到的,採用良好的佈局或濾波器設計,常常可以在開發過程中,相對較早地確保滿足傳導型輻射要求。

然而,輻射型 EMI 則完全另當別論了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線,每一個銅平面都是一個諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓,任何信號都產生遍佈訊號頻譜的雜訊。甚至經過仔細設計,電源設計者仍然無法確知,輻射型 EMI 會有多嚴重,直到系統經過測試才知道。而且,在設計從根本上完成之前,不能正式進行輻射型 EMI 測試。

濾波器可以衰減某一頻率或一系列頻率上的 EMI 強度,因此常常用來降低 EMI。增加金屬和磁遮罩,可以衰減一部分透過空間傳播的 (輻射型) EMI 能量。依靠 PCB 佈線傳播的部分 (傳導型) 可以透過增加鐵氧體珠和其他濾波器來加以控制。EMI 不可能消除、但是可以衰減至其他通訊和數位元件可接受的水準。

採用表面黏著技術的新式輸入濾波器元件,其性能比通孔式元件高。不過,這種改良被切換開關穩壓器日益提高的開關工作頻率給抵消了。更高的效率、較短的最短接通和斷開時間實現了更快速的切換開關轉換,因此導致更高的諧波分量。切換開關容量、轉換時間等其他所有參數保持不變時,切換開關頻率每增加一倍,EMI 就惡化 6dB。寬頻 EMI 的表現就像一個一階高通濾波器,如果切換開關頻率增大 10 倍,輻射便增加 20dB。

聰明的 PCB 設計著們會使熱迴路變很小,並使遮罩接地層盡可能靠近主動層。然而,去耦元件儲存充足能量所需的元件接腳佈局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸,則決定了最小熱迴路尺寸。使問題進一步複雜化的是,在典型的平面印刷電路板中,佈線之間高於 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將減少所有濾波器的作用,因為諧波頻率越高,不想要的磁耦合就越有影響力。

具低 EMI 輻射的高壓 DC/DC 轉換器

由於上述應用限制,ADI 公司開發了 Power by Linear™ LT8645S,這是一款高輸入電壓單晶同步降壓型轉換器,而且其具有低 EMI 輻射。3.4V 至 65V 輸入電壓範圍使該元件非常適合包括 ADAS 在內的轎車和卡車應用,因為這類應用必須穩定因應最低輸入電壓低至 3.4V 的冷啟動和停-啟情況,以及超過 60V 的拋載瞬變情況。圖 1 所示是一個單通道設計,在 5V 時提供 8A 輸出。其同步整流拓撲在 2MHz 開關頻率時可提供高達 94% 的效率,而Burst Mode® 運行在無負載備用情況下,可保持靜態電流低於 2.5µA,因此使該元件非常適合始終保持導通(always-on)系統。

Figure 1
圖 1:在 2MHz 時提供 5V/8A 輸出的 LT8645S 原理圖

LT8645S 的切換開關頻率可在 200kHz 至 2.2MHz 範圍內設定,並在整個範圍內可同步。其獨特的 Silent Switcher® 2 架構整合了內部輸入電容器以及內部 BST 和 INTVCC 電容器,以減小解決方案占板面積。再加上得到良好控制的開關邊沿以及具整體接地平面並透過銅柱取代接合線的內部結構,LT8645S 的設計大幅降低了 EMI 輻射。此外,其 Silent Switcher 2 設計在任何印刷電路板 (PCB) 上都能夠提供可靠的 EMI 性能,包括在雙層 PCB。而且相較於其他可比擬的轉換器,該元件對 PCB 佈局的敏感性低得多。之所以能夠達到這種全新的性能水準,是因為 LT8645S 的內部有雙輸入、BST 和 INTVCC 電容器,這些電容器最大限度減小了熱迴路面積。該元件仍然需要兩個外部輸入電容器,但是盡可能靠近輸入引腳放置這一要求卻極大地放寬了。與最大限度減小熱迴路面積的內部電容器相結合,BT 襯底整合的接地平面顯著提升了 EMI 性能。多層 BT 襯底還使 I/O 接腳能夠使用與 QFN 封裝完全相同的佈局,同時支援較大的接地散熱焊墊。

LT8645S 可在整個負載範圍內非常容易地滿足汽車 CISPR25、Class 5 EMI 限制 (參見圖 2)。該元件並提供擴展頻譜頻率調變,以進一步降低 EMI 水準。LT8645S 採用內部頂端和底端高效率電源開關,單個晶片內整合了必要的升壓二極體、振盪器、控制和邏輯電路。低漣波Burst Mode 運行在低輸出電流時可保持高效率,同時保持輸出漣波低於 10mVp-p。最後,LT8645S 所採用的是小型耐熱增強型 4mm x 6mm 32 接腳 LQFN 封裝。

Figure 2
圖 2:LT8640S 的輻射型 EMI 性能圖

結論

ADAS 系統在轎車和卡車中的激增不會很快結束。另外,很顯然的是,要找到合適的、滿足所有必要性能要求的電源轉換元件以避免對 ADAS 系統造成干擾並不是個簡單的任務。幸運的是,這類汽車系統的設計者現在可以使用 ADI 的 Silent Switcher 2 DC/DC 轉換器提供的高性能功能。這些轉換器不僅極大簡化了電源設計者的任務,同時無需複雜的佈局或設計方法,就能夠提供全部所需性能。


Author

Tony Armstrong

Tony Armstrong

Tony Armstrong is currently the Product Marketing Director for Analog Devices' Power by Linear product group. He is responsible for all aspects of the power conversion and management products from their introduction through obsolescence. Prior to joining ADI, Tony held various positions in marketing, sales and operations at Linear Technology, Siliconix Inc., Semtech Corp., Fairchild Semiconductors and Intel. He attained a BS (Honors) in Applied Mathematics from the University of Manchester, England.