汽车设计需要低 EMI 同步降压型转换器

本文作者：

Jeff Gruetter

凌力尔特公司  产品市场工程师

引言

由于汽车中持续增加电子系统以提高安全性、舒适性、效率和性能，同时最大限度减少有害尾气排放，所以汽车需要物理尺寸更小、功率大得多的电源解决方案就不足为奇了。另外，随着汽车中 EMI 敏感系统的激增，降低开关电源的 EMI 是至关重要，所以这给开关稳压器 IC 设计带来了更多挑战。Strategy Analytics 公司研究指出："未来 7 年，这需求将使半导体器件以每年 5% 的平均年复合增长率 (CAAGR) 增长，到 2021 年，总体市场规模将超过 410 亿美元，而 2014 年这一数字为 289 亿美元。"该公司分析发现，超过 40% 的收入将来自对微控制器和电源半导体器件的需求。

Strategy Analytics 对汽车中电子系统的增长提供了非常量化的预测，不过更有趣的是，在这种增长中，电源 IC 发挥了普遍的作用。这类新型电源 IC 设计必须具备以下特点：

1. 在很宽的电压范围内提供可靠的性能，包括处理超过 36V 的瞬态
2. 具超低电磁干扰 (EMI) 辐射
3. 提供最高效率以最大限度减少过热问题和优化电池运行时间
4. 解决方案占板面积最小，需要非常大的功率密度以及 2MHz 或更高的开关频率，以保持开关噪声落在 AM 无线电频段以外，同时保持解决方案占板面积非常小
5. 具超低静态电流 (<10µA) 以实现始终保持接通系统 (例如安保、环境控制和信息娱乐系统) 在引擎 (交流发电机) 不运转的情况下保持工作状态，同时不会消耗汽车的电池电量

提高电源 IC 性能的目的是，实现日益复杂和大量的电子系统设计。在汽车的每一个方面都能看到驱动这种增长的应用。例如，新型安全行车系统，这包括车道监视、自适应安全行车控制、自动转向和前灯调光。信息娱乐系统 (车载多媒体系统) 也在持续演变，在一个已经很拥挤的空间中容纳了越来越多的功能，该系统还必须支持日益增加的云应用。先进的引擎管理系统具备停 / 启系统和大量采用电子产品的变速器和引擎控制系统，还有旨在同时提高性能、行车安全和舒适度的传动系统以及底盘管理系统。10 年前，这些系统仅出现在高端豪华型汽车中，但是今天在每个制造商的汽车中都属于常见系统，这进一步加速了汽车电源 IC 的增长。以下图 1 显示了今天的汽车中通常能够见到的大量电子系统。

图 1：汽车中的电子系统在激增

汽车系统中的瞬态

尽管汽车中的电池总线电压通常为 12V (在 9V 至 16V 之间变化，取决于何时交流发电机充电)。此外，在各种临时条件下，铅酸电池电压受多种变化影响。冷车发动和停-启情况可能将电池电压拉低至 3.5V，而抛载可能使电池总线电压高达 36V。因此，电源 IC 必须能够在多种输入电压变化情况下准确地调节输出。在冷车发动 / 停-启和抛载时，单节铅酸电池的宽临时电压摆幅如图 2 所示。请注意，合适的电源 IC (这里是 LT8640) 在出现上述情况时准确地调节了 3.3V 输出。

图 2：在 36V 负载突降瞬态和 4V 冷车发动情况下 LT8640 的表现

低 EMI 工作

因为汽车电气环境有固有噪声，而很多应用对电磁干扰 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，开关稳压器不能加重 EMI 问题。由于一般情况下，开关稳压器是输入电源总线上的第一个有源组件，所以无论下游转换器性能如何，开关稳压器都会对总体转换器 EMI 性能产生显著影响。因此最大限度降低 EMI 是非常紧迫的任务。过去采用的解决方案是，使用一个 EMI 屏蔽盒，但是这极大地增大了解决方案的成本和尺寸，同时使热量管理、测试和制造更加复杂。电源管理 IC 内部可以采取的另一种解决方案是降低内部 MOSFET 开关边沿的速率。不过，这产生了不良的影响，降低了效率并延长了最短接通时间，影响了 IC 在 2MHz 或更高开关频率时提供低占空比的能力。由于人们希望拥有高效率和小尺寸解决方案，所以这不是一个可行的解决方案。幸运的是，市场上已经推出了一些独特的电源 IC 设计，以同时实现快速开关频率、非常高的效率和很短的最短接通时间。这些设计一般具备低 20dB 以上的 EMI 辐射，同时提供 2MHz 开关频率和 95% 的效率。有些还提供扩展频谱功能，这可以将 EMI 辐射再降低 10dB。这样的性能无需额外增加组件或屏蔽就可以实现，从而在开关稳压器设计领域实现了重要突破。

高效率工作

汽车应用中电源管理 IC 高效率工作很重要，原因有二。首先，电源转换效率越高，以热量形式浪费的能量就越少。因为热量