聊聊汽車(chē)電子中開(kāi)關(guān)頻率的凡爾賽

“凡爾賽”算是近兩年來(lái)的一個(gè)熱門(mén)詞匯，耳熟能詳的當然是撒貝寧的“北大也還行”，那各位工程師朋友們，你們在生活工作中聽(tīng)到過(guò)什么樣的凡爾賽語(yǔ)錄呢？今天小編有一個(gè)關(guān)于汽車(chē)電子中，開(kāi)關(guān)頻率的話(huà)題想和大家一起來(lái)聊一聊。

以下三位選手想來(lái)占據你心里的“第一”的位置，讓我們來(lái)看下哪位更能打動(dòng)你？它們分別是FS1=2MHz，FS2=100kHz，FS3=500kHz。

那么問(wèn)題來(lái)了~~~為什么我們只選擇這三個(gè)頻率來(lái)讓大家進(jìn)行評選呢？其他的頻率難道都已經(jīng)被“淘汰”了嗎？

我們先來(lái)看下FS1-FS3他們的自我評價(jià)：

FS1這意思，選擇了它，幫助大家節省了Debug EMI中AM這頻率段的時(shí)間，聽(tīng)著(zhù)倒是不錯，EMI可是車(chē)載實(shí)驗中的一大難題，有多少“攻城獅”朋友們犧牲了多個(gè)日日夜夜被關(guān)在EMI暗室中。

FS2這是想表達自己效率出眾。那在汽車(chē)應用中，產(chǎn)品都要考慮在85℃的環(huán)境溫度下穩定工作，如果可以大大減小產(chǎn)品發(fā)熱也是很有吸引力的。

F3自認為還是被廣大工程師所采納呀，據小編所知，幾乎大部分車(chē)載USB充電，LED車(chē)燈應用中，小伙伴們選擇500kHz左右的開(kāi)關(guān)頻率還是很多的。

從上述的描述可見(jiàn)，FS1-FS3運用“凡爾賽體”，把自己贊美了一番。不過(guò)，拋開(kāi)需求談Spec，是不是也有點(diǎn)“耍流氓”了呢？對于FS1，我們選擇2MHz雖然避開(kāi)了AM頻率段，但是會(huì )不會(huì )加重了高頻段的EMI問(wèn)題呢？對于FS2，開(kāi)關(guān)損耗確實(shí)低了，那對于追求小尺寸設計的產(chǎn)品該如何滿(mǎn)足呢？對于FS3，某些應用“出場(chǎng)率”是很高，但所有的汽車(chē)電子（找元器件現貨上唯樣商城）應用是否可以一勞永逸，永遠只選擇FS3呢？

所以這一期小課堂中，小編將以Buck電路為例，把能量轉換過(guò)程比喻成“小M”要去井里挑水。如圖1所示，其中，井比作輸入源的電容，水缸比作輸出源的電容，盛水的木桶是儲能電感，小M來(lái)回的快慢就是開(kāi)關(guān)頻率，那么小M就可以比作一顆電源芯片。從車(chē)載應用角度出發(fā)，結合電氣特性和芯片頻率設定限制這兩點(diǎn)，來(lái)為大家分析下FS1-FS3的不同表現。

關(guān)于電氣性能&芯片頻率設定限制，內容概要如下：

第一部分：器件尺寸與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

根據上述擬人拓撲中，可作如下比喻：

井的大?。狠斎腚娙葜?/p>

水缸的大?。狠敵鲭娙葜?/p>

木桶的大?。簝δ茈姼懈辛?/p>

然后，假定工作條件&約束條件，便可得出如下所需要的外圍器件參數：

第二部分：芯片開(kāi)關(guān)損耗&溫升與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

根據上述擬人拓撲中，可作如下比喻：

小M疲勞程度：芯片開(kāi)關(guān)損耗&溫升

接下來(lái)，同樣是假定在相同工作條件&約束條件下，得出不同頻率的效率曲線(xiàn)（如下圖所示），進(jìn)而計算得出芯片的溫升情況。

第三部分：芯片最小導通&關(guān)斷時(shí)間限制與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

根據上述擬人拓撲中，可作如下比喻：

小M所能邁出的最大、最小步伐：芯片的最小導通&關(guān)斷時(shí)間

這部分會(huì )結合實(shí)際車(chē)載電池的變化范圍，來(lái)說(shuō)明什么情況下會(huì )觸發(fā)到芯片的最小導通&關(guān)斷時(shí)間。

除此之外，我們還留了一個(gè)關(guān)于開(kāi)關(guān)頻率選擇的“伏筆”，也就是為什么在汽車(chē)電子的設計中，為什么我們是從300kHz以下，300kHz-530kHz，或是1.8MHz以上這三個(gè)頻率中挑選出的FS1，FS2和FS3。

說(shuō)到車(chē)載應用中的DCDC，讓大家提及最多的，想必也是困惑大（找元器件現貨上唯樣商城）家最多的EMI問(wèn)題。對于EMI而言，開(kāi)關(guān)頻率的選擇也顯得尤為重要，因此上一期中的“伏筆”就在此刻得以揭曉，如下是一張CISPR25 Class 3 CE的限值標準圖，從中可以發(fā)現限值線(xiàn)是分段斷續的，我們選擇的FS1，FS2，FS3就落在這三個(gè)斷續區域內。

那清晰了三個(gè)頻率的由來(lái)，接下來(lái)就是在不同的應用中，對三個(gè)頻率做出正確的評價(jià)，選對所需要的開(kāi)關(guān)頻率。這一期將舉三個(gè)應用實(shí)例來(lái)進(jìn)行分析，分別是車(chē)載傳感器，車(chē)載移動(dòng)設備充電，和自動(dòng)駕駛控制器。

1. 車(chē)載傳感器：攝像頭

相關(guān)要點(diǎn)：外圍器件尺寸

這類(lèi)產(chǎn)品一直以來(lái)都是追求小型化的設計，必然需要更小的電感電容等外圍器件，對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，要做的就是把開(kāi)關(guān)頻率推向高頻，從而降低外圍器件尺寸。FS1（2MHz）在這里可以發(fā)揮其長(cháng)處，同時(shí)也不用擔心2MHz會(huì )引起嚴重的發(fā)熱和EMI問(wèn)題，因為攝像頭的功耗不大，對于12V 輸入來(lái)說(shuō)，電流一般只有100-200mA，所以對于DCDC而言，其導通損耗較小。所以，即使抬高開(kāi)關(guān)頻率增加的開(kāi)關(guān)損耗也不會(huì )使得電源整體產(chǎn)生較高的溫升，同時(shí)，攝像頭模組整體的功耗不大，而且電源一般也是集成度很高的PMIC方案，優(yōu)化了高頻di/dt環(huán)路，EMI性能相對來(lái)說(shuō)更加友好些。

選用FS1（2MHz）在保證了小體積的同時(shí)，又有著(zhù)不錯的效率和良好的EMI表現！

2. 車(chē)載移動(dòng)充電設備：車(chē)載USB充電

相關(guān)要點(diǎn)：開(kāi)關(guān)損耗&芯片溫升

這類(lèi)產(chǎn)品從原先的單口Type-A更新迭代到雙口Type-A，再到后來(lái)的雙口Type-C，以及目前的Type-C PD。其同樣對于PCB板有著(zhù)一定的尺寸要求，雖不像攝像頭模組那般，但通常產(chǎn)品控制在50mm*50mm左右。

如果說(shuō)PCB板的大小也局限了布局和器件尺寸，那我們直接選擇FS1（2MHz）實(shí)現產(chǎn)品的小型化就好了？以雙口Type-C為例，每個(gè)充電口可達到5V@3A，即總功率達到了30W，即便考慮94%的效率，也有2W左右的熱量存在于PCB板上，并且車(chē)載環(huán)境試驗通常要考慮在85℃情況下穩定運行。

可見(jiàn)，FS1不是最優(yōu)解。

因此，綜合考慮功耗和尺寸這兩者因素，FS3（500kHz）左右才是最合適的開(kāi)關(guān)頻率選項。

3. 自動(dòng)駕駛控制器：360環(huán)視ECU（Electronic Control Unit）

相關(guān)要點(diǎn)：芯片最小導通/關(guān)斷時(shí)間限制

此類(lèi)應用，板面積相對來(lái)說(shuō)沒(méi)那么緊張，相比于攝像頭模組和USB充電，具備相對充足的PCB Layout面積和散熱空間，因此對于開(kāi)關(guān)頻率的選擇沒(méi)有那么苛刻。但攻城獅朋友們在設計中，還是需要將芯片本身的導通/關(guān)斷時(shí)間限制考慮在內。

比如在商用車(chē)中，其電池系統是24V，最高穩態(tài)值會(huì )達到32V，然后360環(huán)視系統中一般都需要3.3V的供電，那么這時(shí)壓差很大，如果頻率選擇FS1（2MHz），通過(guò)計算可以得出

再根據芯片數據手冊查詢(xún)到Minimum On Time如下所示，即觸發(fā)到了Min. On Time。所以需要選擇更低的頻率來(lái)避開(kāi)觸發(fā)Min. On Time。

另外，環(huán)視系統中有時(shí)會(huì )提供一路8V的電源軌，作為攝像頭模組的輸入電。假設工況是乘用車(chē)12V電池系統，往往也需要考慮輸入電壓工作范圍在9V-16V，也就是說(shuō)有9V轉8V的工況，同樣假設選取FS1（2MHz），計算可得

同樣根據規格書(shū)所提供的Minimum Off time可見(jiàn)，最大會(huì )到70ns，所以也會(huì )觸發(fā)到Min. Off Time。

因此，針對上述兩種情況，為了保證芯片穩定的工作在某個(gè)開(kāi)關(guān)頻率下，就要結合具體的輸入輸出電壓條件，選擇最佳的開(kāi)關(guān)頻率。

現在，針對汽車(chē)電子產(chǎn)品，大家可以識別出不同開(kāi)關(guān)頻率的凡爾賽語(yǔ)錄了吧。不同開(kāi)關(guān)頻率都各有特色，并不是一成不變的只選擇其中一種，還是要結合實(shí)際的產(chǎn)品應用來(lái)得出最合適的開(kāi)關(guān)頻率，讓開(kāi)關(guān)電源的性能更加穩定，更加卓越！