作者：Tony Armstrong
背景知識
ADAS是高級駕駛員輔助系統的英文縮寫(xiě)，它在當今許多新型汽車(chē)和卡車(chē)中很常見(jiàn)。此類(lèi)系統通常有助于安全駕駛；當檢測到周?chē)矬w（例如不遵守交通規則的行人、騎車(chē)人，甚至有其他車(chē)輛位于不安全的行駛軌跡上）構成風(fēng)險時(shí)，系統可以向駕駛員提供警報！此外，這些系統通常提供自適應巡航控制、盲點(diǎn)檢測、車(chē)道偏離警告、駕駛員困倦監控、自動(dòng)制動(dòng)、牽引控制和夜視等動(dòng)態(tài)特性。因此，消費者對安全性日益增強的重視、對駕駛舒適性的要求以及政府安全法規的不斷增加，是未來(lái)十年后半時(shí)期汽車(chē)ADAS的主要增長(cháng)動(dòng)力。
這種增長(cháng)對行業(yè)來(lái)說(shuō)并不是沒(méi)有挑戰，包括價(jià)格壓力、通貨膨脹、復雜性和系統測試的困難性。此外，歐洲汽車(chē)行業(yè)是最具創(chuàng )新性的汽車(chē)市場(chǎng)之一，這點(diǎn)不足為奇，ADAS的市場(chǎng)滲透率和客戶(hù)接受度均有重大突破。不過(guò)，美國和日本汽車(chē)制造商也不甘落后。最終目標是實(shí)現無(wú)需人類(lèi)在方向盤(pán)后面干預的自動(dòng)駕駛！
系統難題
一般來(lái)說(shuō)，ADAS集成了一些微處理器來(lái)收集車(chē)內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給駕駛員。此外，這些系統通常由車(chē)輛主電池直接供電，其標稱(chēng)電壓為9 V至18 V，但由于系統內部的電壓瞬變，電壓可能高達42 V，而在冷啟動(dòng)期間，電壓可能低至3.4 V。因此，這些系統中的任何DC-DC轉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（例如卡車(chē)中常見(jiàn)的雙電池系統）需要更寬的輸入范圍，上限推高至65 V。因此，一些ADAS制造商將其系統設計為覆蓋3.4 V至65 V的輸入范圍，使其可用于汽車(chē)或卡車(chē)中，同時(shí)在制造過(guò)程中獲得規模經(jīng)濟的好處。
大部分ADAS使用5 V和3.3 V電源軌為其各種模擬和數字IC器件供電。相應地，此類(lèi)系統的制造商更喜歡使用單個(gè)轉換器來(lái)同時(shí)解決單電瓶和雙電瓶配置。此外，該系統通常安裝在車(chē)輛中空間和散熱均受限制的部分中，這會(huì )給用于散熱目的的散熱器帶來(lái)限制。雖然采用高壓DC-DC轉換器直接從電池產(chǎn)生5 V和3.3 V電源軌是司空見(jiàn)慣的，但在如今的ADAS中，開(kāi)關(guān)穩壓器也必須達到2 MHz或更高的開(kāi)關(guān)頻率，而非以前的500 kHz以下開(kāi)關(guān)頻率。這一變化背后的關(guān)鍵驅動(dòng)力是需要更小尺寸的解決方案，同時(shí)也要保持在A(yíng)M頻段之上，以避開(kāi)任何潛在的干擾。
另外，好像設計人員的任務(wù)還不夠復雜一樣，他們還必須確保ADAS符合車(chē)內各種抗噪標準。在汽車(chē)環(huán)境中，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代那些重視低發(fā)熱和高效率的區域中的線(xiàn)性穩壓器。而且，開(kāi)關(guān)穩壓器通常是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源部件，因此對整個(gè)轉換器電路的EMI性能有著(zhù)重要影響。
EMI發(fā)射有兩類(lèi)：傳導和輻射。傳導發(fā)射位于連接到產(chǎn)品的電線(xiàn)和走線(xiàn)上。由于該噪聲局限于設計中的特定端子或連接器，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中借助良好的布局或濾波器設計，通�？梢韵鄬θ菀椎乇ＷC符合傳導輻射要求。
不過(guò)，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(huì )輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線(xiàn)都是一根天線(xiàn)，每個(gè)銅層都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會(huì )在整個(gè)信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使精心設計，在系統進(jìn)行測試之前，電源設計人員也并不真正知道輻射發(fā)射會(huì )有多糟糕——而輻射發(fā)射測試只有在設計基本完成之后才能正式進(jìn)行。
常常使用濾波器來(lái)衰減特定頻率或一定頻率范圍的信號強度，從而降低EMI。通過(guò)空間傳播（輻射）的這部分能量可通過(guò)添加金屬和磁屏蔽來(lái)衰減。位于PCB走線(xiàn)（傳導）的能量部分可通過(guò)添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)抑制。EMI無(wú)法消除，但可以衰減到其他通信和數字器件能夠接受的水平。此外，多家監管機構通過(guò)實(shí)施相關(guān)標準來(lái)確保產(chǎn)品合規。
現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(kāi)關(guān)穩壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的開(kāi)/關(guān)時(shí)間和更快的開(kāi)關(guān)躍遷，導致諧波含量更高。所有其他參數（如開(kāi)關(guān)容量和轉換時(shí)間）保持不變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會(huì )惡化6 dB。如果開(kāi)關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI就會(huì )像輻射增加20 dB的一階高通濾波器一樣。
有經(jīng)驗的PCB設計人員會(huì )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、封裝結構、散熱設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。更復雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線(xiàn)之間高于30 MHz的磁性或變壓器式耦合會(huì )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(zhù)。
低EMI輻射的高電壓DC-DC轉換器
鑒于上文所述的應用限制，ADI公司Power by Linear™部門(mén)開(kāi)發(fā)出LT8645S——一款支持高輸入電壓、單芯片、低EMI輻射的同步降壓轉換器。其輸入電壓范圍為3.4 V至65 V，因而既適合汽車(chē)應用，也適合卡車(chē)應用，包括ADAS，后者必須勝任冷啟動(dòng)和啟停場(chǎng)景下的調節，最低輸入電壓低至3.4 V，電源切斷瞬變超過(guò)60 V。如圖1所示，該器件采用單通道設計，提供5 V、8 A輸出。開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，其同步整流拓撲可實(shí)現高達94%的效率，而在空載待機條件下，突發(fā)工作模式(Burst Mode®)保持靜態(tài)電流低于2.5 μA，因此非常適合始終開(kāi)啟的系統使用。
圖1. 提供5 V、8 A、2 MHz輸出的LT8645S原理圖
LT8645S的開(kāi)關(guān)頻率可以在200 kHz到2.2 MHz范圍內進(jìn)行編程，并且在整個(gè)頻率范圍內都支持同步。其獨特的Silent Switcher® 2架構集成了內部輸入電容以及內部BST和INTVCC電容，以縮小解決方案尺寸。結合嚴格受控的開(kāi)關(guān)邊沿和集成接地層的內部結構，并用銅柱代替鍵合線(xiàn)，LT8645S的設計大大降低了EMI輻射。此外，其Silent Switcher 2設計還能在任何印刷電路板（PCB，包括2層PCB）上提供魯棒的EMI性能。而且，與其他類(lèi)似轉換器相比，它對PCB布局的敏感度要低得多。這是因為，LT8645S的內部雙路輸入、BST和INTVCC電容將熱環(huán)路面積減至最小，使性能達到新的水平。它仍然需要兩個(gè)外部輸入電容，但不再?lài)栏褚蟀堰@些電容放在盡可能靠近輸入引腳的位置。結合內部電容（其使熱環(huán)路面積最�。�，BT襯底的集成接地層使EMI性能顯著(zhù)提高（見(jiàn)圖2）。多層BT襯底還使I/O引腳能夠使用與QFN封裝完全相同的圖案，同時(shí)支持實(shí)現大型接地焊盤(pán)。這種層壓式QFN (LQFN)封裝比標準QFN更柔韌且更靈活，其焊點(diǎn)可靠性在板級溫度循環(huán)期間表現出好得多的性能，使得客戶(hù)在以前只能使用含鉛器件的情況下可以使用LQFN。
在整個(gè)負載范圍內，LT8645S可以輕松符合汽車(chē)CISPR25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用擴頻頻率調制進(jìn)一步降低EMI水平（圖2）。LT8645S內置高效率頂部和底部功率開(kāi)關(guān)，并將必要的升壓二極管、振蕩器以及控制和邏輯電路集成到單個(gè)芯片中。低紋波突發(fā)工作模式可在低輸出電流下保持高效率，同時(shí)使輸出紋波低于10 mV p-p。最后，LT8645S采用小尺寸散熱增強型4 mm×6 mm、32引腳LQFN封裝。
圖2. LT8640S輻射EMI性能圖
結論
ADAS在汽車(chē)和卡車(chē)市場(chǎng)中的推廣不會(huì )很快結束。同樣清楚的是，找到合適的功率轉換器件以滿(mǎn)足所有必要的性能指標，從而不干擾ADAS，不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。幸運的是，此類(lèi)汽車(chē)系統的設計人員現在可以獲得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC轉換器提供的強大性能和能力。這些器件不僅大大簡(jiǎn)化了電源設計人員的工作，同時(shí)還提供其所需要的全部性能，而不要求復雜的布局或設計技術(shù)。
