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直接透过汽车电池输入进行DC-DC转换
5A、3.3V和5V电源符合严格EMI辐射标准

【作者: Zhongming Ye】2021年01月19日 星期二

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在严苛的汽车和工业环境中,其杂讯敏感型应用需要适用於狭小空间的低杂讯、高效率降压稳压器。通常会选择内建MOSFET功率切换开关的单晶片式降压稳压器,而相较於传统控制器IC和外部MOSFET,这种整体解决方案的尺寸相对较小。可在高频率(远高於AM频段的2 MHz范围内)下操作的单晶片式稳压器也有助於减小外部元件的尺寸。


此外,如果稳压器的最小导通时间(TON)较低,则无需中间稳压,可直接在较高的电压轨上操作,从而节约空间并降低复杂性。减少最小导通时间需要快速切换边缘和最小死区时间控制,以有效减少切换损耗并支援高切换频率操作。


而另一种节省空间的方式,是减少所需的元件数,以满足电磁干扰(EMI)标准和散热要求。遗憾的是,在很多情况下,简单地缩减转换器尺寸难以满足这些需求。本文介绍的先进解决方案不仅可节省空间,同时更可实现低EMI和卓越的散热性能。


选择切换模式电源转换器是由於其效率高,尤其是在高降压比下,但需要权衡切换操作产生的EMI因素。在降压转换器中,切换中的快速电流变化(高di/dt)和热??路中寄生电感导致的开关振铃会产生EMI。


EMI只是系统设计工程师在尝试设计精巧型高性能电源时必须考虑的叁数之一。许多关键设计约束通常相互冲突,需要在设计限制和上市时间方面做出重大妥协。


提高EMI性能

要减少降压转换器中的EMI必须尽量减少热??路的辐射效应,并使源极讯号最小。有多种方式可减少辐射EMI,但其中很多也会同时降低稳压器的性能。


例如,在典型的分立式FET降压稳压器中,透过外部闸极电阻、升压电阻或缓冲器来降低切换边缘的速度,以减少EMI,这也是符合汽车工业严格的辐射排放标准的最後一种解决方法。


而这类快速解决EMI问题的方式,均是以损失性能为代价,例如效率降低、元件数目增多,解决方案尺寸加大等。切换边缘速度慢则会增加开关损耗和工作周期损失。转换器必须在较低的频率下操作(例如,400 kHz)才能获得令人满意的效率,并通过强制性电磁辐射EMI测试。


图1显示了分别具有快速切换边缘和慢速切换边缘的典型切换节点电压波形。如图所示,切换边缘速度明显变慢,导致开关损耗增加,最小工作周期或降压比显着增加,更不用说对性能产生的其他负面影响。


图1 : 慢速切换边缘表示除了操作周期损耗之外,还存在大量切换损耗。
图1 : 慢速切换边缘表示除了操作周期损耗之外,还存在大量切换损耗。

降低切换频率也会增加转换器电感、输出电容和输入电容的物理尺寸。同时,需要使用一个大尺寸π滤波器以便通过传导辐射测试。随着切换频率降低,滤波器中的电感L和电容C需相对会增大。在低压线路满载条件下,电感电流额定值应大於最大输入电流。因此,前端需要使用一个大尺寸电感和多个电容以符合严格的EMI标准。


例如,在400 kHz(而不是2 MHz)切换频率下,除了增加电感和电容的尺寸外,EMI滤波器中的电感和电容也必须相对较大,才能达到汽车应用中的传导EMI标准要求。其中一个原因是它们不仅必须衰减400 kHz的开关基频,还必须衰减高达1.8 MHz的所有谐波。操作频率为2 MHz的稳压器就没有这个问题。图2为2 MHz解决方案和400 kHz解决方案的尺寸对比。


图2 : 2 MHz解决方案与400 kHz解决方案尺寸对比。
图2 : 2 MHz解决方案与400 kHz解决方案尺寸对比。

遮罩可能是减少电磁辐射的最後一种补救方式,但遮罩需要占用空间,而应用可能无法提供,并且需要进行额外的机械设计和测试反覆运算。


为避开AM频率频宽并保持较小的解决方案尺寸,汽车应用首选2 MHz或更高的切换频率。避免AM频段後,就只有确保将高频杂讯(也称为谐波)和开关振铃降至最低的问题。遗憾的是,高频切换通常会导致电磁辐射从30 MHz增加到1 GHz。


有些切换稳压器具有快速乾净的切换边缘,可减少EMI,如ADI Power by Linear系列中的Silent Switcher元件。我们先来看看其他一些有用的功能。


展频频率调变(SSFM)是一项在已知范围内使系统时脉抖动的技术,由此将EMI能量分布在频域上。虽然普通切换电源所选的切换频率通常会在AM频段之外(530 kHz至1.8 MHz),但在AM频段内,未经调变的切换谐波仍可能不符合严格的汽车EMI要求。添加SSFM功能可明显减少AM频段内及其他区域中的EMI。


图3显示了一个超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A转换器,其使用LT8636 Silent Switcher单晶片式降压稳压器在2 MHz切换频率下工作。图4显示了测试示范电路在14 V输入和5 V、5 A输出时的传导和辐射EMI性能。在前端,小电感和陶瓷电容有助於滤除传导杂讯,而铁氧体磁珠和陶瓷电容有助於减少辐射杂讯。两个小陶瓷电容放在输入和接地接脚上,将热??路面积减至最小,同时分离热??路,帮助消除高频杂讯。



图3 : 展频模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降压转换器,峰值电流为7 A,工作电压5.7 V至42 V。
图3 : 展频模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降压转换器,峰值电流为7 A,工作电压5.7 V至42 V。

图4 : 具有和没有展频模式的CISPR 25电磁辐射EMI。
图4 : 具有和没有展频模式的CISPR 25电磁辐射EMI。

为改善EMI性能,电路设定为在展频模式下操作:SYNC/MODE = INTVCC。使用三角频率调变来调节切换频率,调节范围为RT设定的值到比该值约高20%,即LT8636设为2 MHz时,在3 kHz速率下,频率将在2 MHz至2.4 MHz之间变化。


从传导EMI频谱可以明显看出,峰值谐波能量被分散开来,从而降低了任何特定频率的峰值幅度由於展频功能,杂讯至少减少了20 dBμV/m。从辐射EMI频谱也可以明显看出,展频模式也可以减少辐射EMI。该电路符合严苛的汽车级CISPR 25 Class 5辐射EMI要求,仅需在输入侧使用简单的EMI滤波器。


整个负载范围内的高效率

汽车应用中的电子元件数量只增不减,大多数元件的每次设计反覆运算都需要更多的电源电流。主动负载电流如此高,重载效率和适当的热管理就成为首要考虑因素,可靠的运行取决於散热管理,不受控制产生热量可能会导致代价高昂的设计问题。


轻负载效率同时也为系统设计人员所关注,由於电池使用寿命主要取决於轻负载或空载时的静态电流,因此轻负载效率和重负载效率一样重要。必须在矽晶和系统级设计中权衡满载效率、空载静态电流和轻载效率。


为了在满载时达到高效率,应最小化FET(特别是底部FET)的RDS(ON),这看起来很简单。但是,具有低RDS(ON) 的电晶体的电容通常相对较高,切换开关和闸极驱动损耗随之增加,也会增加晶片尺寸和成本。相反的,LT8636单晶片式稳压器具有很低的MOSFET传导电阻,在满载条件下的效率很高。LT8636在静止空气中的最大输出电流为5 A连续电流和7 A峰值电流,没有任何额外的散热片,因此可简化设计可靠性。


为了提高轻负载效率,在低涟波Burst Mode下操作的稳压器将输入电容充电至所需的输出电压,同时最小化输入静态电流和输出电压涟波。在Burst Mode下,电流以短脉冲的形式传递到输出电容,然後进入相对较长的休眠期,在此期间,大多数控制(逻辑)电路关闭。


为了提高轻载效率,可选用更大值的电感,因为在短脉冲期间可向输出传递更多能量,降压稳压器也可在每个脉冲之间的休眠模式下保持更长时间。透过尽可能延长脉冲之间的时间,尽量减少每个短脉冲的开关损耗,单晶片式降压转换器静态电流可在单晶片式稳压器(如LT8636)中达到2.5 μA。而市场上的典型零件为几十甚至几百μA。


图5显示使用LT8636的汽车应用由12 V输入提供3.8 V/5 A输出的高效率解决方案。电路在400 kHz下运行可达到高效率,并使用XAL7050-103 10 μH电感。在低至4 mA和高至5 A的负载下,可保持90%以上的效率。峰值效率在1 A时为96%。


图5 : 采用XAL7050-103电感的12 V至3.8 V/5 A解决方案的效率(fSW = 400 kHz)。
图5 : 采用XAL7050-103电感的12 V至3.8 V/5 A解决方案的效率(fSW = 400 kHz)。

图6显示该解决方案1 μA至5 A时的效率。内部稳压器由5 V输出通过BIAS接脚供电,以尽可能降低功耗。峰值效率达到95%;由13.5 V输入提供5 V输出的全负载效率为92%。对於5 V应用低至30 mA的负载,轻载效率保持在89%或以上。转换器在2 MHz下运行,测试用电感为XEL6060-222,以优化相对精巧型解决方案中的重负载和轻负载效率。使用更大的电感,可将轻负载效率进一步提高到90%以上。 回??电阻分压器中的电流以负载电流形式出现在输出端时降至最低。.


图6 : 使用XEL6060-222电感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解决方案的效率(fSW= 2 MHz)。
图6 : 使用XEL6060-222电感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解决方案的效率(fSW= 2 MHz)。

图7显示该解决方案在4 A恒定负载和4 A脉冲负载(共8 A脉冲负载)以及10%操作周期(2.5 ms)下的热性能  静止空气环境室温下,13.5 V输入。即使在40 W脉冲功率和2 MHz切换频率下,LT8636外壳温度都保持低於40。C,使得电路在没有风扇或散热片的情况下也能短时间内以高达8 A电流安全运行。由於采用增强散热型封装技术,并且LT8636在高频率下具有高效率,因此采用3 mm × 4 mm LQFN封装可实现这一目标。


图7 : 3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定负载加4 A脉冲负载(10%操作周期)下的热图显示温度上升。
图7 : 3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定负载加4 A脉冲负载(10%操作周期)下的热图显示温度上升。

透过高频操作缩小解决方案尺寸

汽车应用中的空间越来越宝贵,因此必须缩小电源尺寸以便置入电路板中。提高电源切换频率可使用电容和电感等较小的外部元件。此外,如前所述,在汽车应用中,高於2 MHz(或低於400 kHz)的切换频率可将基频保持在AM无线电频段之外。我们来比较一下常用的400 kHz设计和2 MHz设计。在这种情况下,增加五倍切换频率达到2 MHz会将所需电感和输出电容减少到400 kHz设计的五分之一,这似??很容易。然而,由於使用高频解决方案本身就需要进行一些权衡考量,因此即使支援高频的IC,也可能无法在许多应用中使用。


例如,在高降压比应用中的高频操作需要较低的最小导通时间。根据方程式VOUT = TON × fSW × VIN,在2 MHz操作频率下,需要约50 ns的最小切换导通时间(TON)才能透过24 V输入电压产生3.3 V输出电压。如果电源IC无法实现此低导通时间,则必须跳过脉冲以保持低稳压输出实质上无法达到高切换频率的目的。换言之,等效切换频率(由於脉冲跳略)可能在AM频段。由於最小切换导通时间为30 ns,LT8636允许在2 MHz下直接从高VIN转换为低VIN to low VOUT 。与之相比,许多元件限制为最小>75 ns,这就需要它们在低频率(400 kHz)下操作,从而实现更高的降压比以避免脉冲跳略。


高切换频率的另一个常见问题,是开关损耗趋增。与开关相关的损耗包括开关导通损耗、关断损耗和闸极驱动损耗都与切换频率近似线性相关。缩短开关导通和关断时间可改善这些损耗特性。LT8636开关导通和关断时间很短,不到5 V/ns,可实现最小死区时间和最小二极体时间,从而降低了高频下的切换损耗。.


本解决方案中使用的LT8636采用3 mm × 4 mm QFN封装以及具有整合电源开关的单晶片式结构,同时提供所有必需的电路功能,共同构成PCB占用空间最小的解决方案。IC下方的大面积外露接地焊垫通过极低的热阻(26。C/W)路径将热量引导到PCB,从而减少了额外的热管理需求。此封装采用FMEA相容设计,Silent Switcher技术减小了热??路的PCB面积,因此使用简单的滤波器即可轻松解决这种高切换频率下的辐射EMI问题,如图3所示。


结论

只要精心选择IC,则无需反覆权衡考量就可以生产出适合汽车应用的精巧型高性能电源。就是说,可以同时实现高效率、高切换频率和低EMI。为了举例说明可实现的精巧型设计,本文中的解决方案选择使用LT8636,这是一款采用3 mm × 4 mm LQFN封装的42 V、5 A连续/7 A峰值单晶片式降压Silent Switcher稳压器。在此IC中,VIN接脚分离并对称放置在IC上,进而分离了高频热??路,使磁场相互抵消,以抑制电磁辐射EMI。此外,同步设计和快速切换边缘可提高重载效率,而低涟波Burst Mode对轻负载效率有利。


LT8636的3.4 V到42 V输入范围和低压差也适用於汽车应用,使其能够在汽车启动或负载突降情况下操作。在汽车应用中,系统设计人员在尝试缩小电源解决方案尺寸时,往往也会面对很多权衡考量,但采用本文中的设计,设计人员将无需权衡即可实现所有性能目标。


(本文作者Zhongming Ye为ADI电源产品资深应用工程师)


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