MPS | 汽車電子中，“識破”開關頻率的凡爾賽文學

“凡爾賽”算是近兩年來的一個熱門詞匯，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到過什么樣的凡爾賽語錄呢？今天小編有一個關于汽車電子中，開關頻率的話題想和大家一起來聊一聊。

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

那么問題來了~~~為什么我們只選擇這三個頻率來讓大家進行評選呢？其他的頻率難道都已經被“淘汰”了嗎？

我們先來看下FS1-FS3他們的自我評價：

FS1這意思，選擇了它，幫助大家節省了Debug EMI中AM這頻率段的時間，聽著倒是不錯，EMI可是車載實驗中的一大難題，有多少“攻城獅”朋友們犧牲了多個日日夜夜被關在EMI暗室中。

FS2這是想表達自己效率出眾。那在汽車應用中，產品都要考慮在85℃的環境溫度下穩定工作，如果可以大大減小產品發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，幾乎大部分車載USB充電，LED車燈應用中，小伙伴們選擇500kHz左右的開關頻率還是很多的。

從上述的描述可見，FS1-FS3運用“凡爾賽體”，把自己贊美了一番。不過，拋開需求談Spec，是不是也有點“耍流氓”了呢？對于FS1，我們選擇2MHz雖然避開了AM頻率段，但是會不會加重了高頻段的EMI問題呢？對于FS2，開關損耗確實低了，那對于追求小尺寸設計的產品該如何滿足呢？對于FS3，某些應用“出場率”是很高，但所有的汽車電子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來回的快慢就是開關頻率，那么小M就可以比作一顆電源芯片。從車載應用角度出發，結合電氣特性和芯片頻率設定限制這兩點，來為大家分析下FS1-FS3的不同表現。

關于電氣性能&芯片頻率設定限制，內容概要如下：

第一部分：器件尺寸與開關頻率的關系

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：芯片開關損耗&溫升與開關頻率的關系

根據上述擬人拓撲中，可作如下比喻：

小M疲勞程度：芯片開關損耗&溫升

接下來，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（如下圖所示），進而計算得出芯片的溫升情況。

第三部分：芯片最小導通&關斷時間限制與開關頻率的關系

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&關斷時間

這部分會結合實際車載電池的變化范圍，來說明什么情況下會觸發到芯片的最小導通&關斷時間。

除此之外，我們還留了一個關于開關頻（找元器件現貨上唯樣商城）率選擇的“伏筆”，也就是為什么在汽車電子的設計中，為什么我們是從300kHz以下，300kHz-530kHz，或是1.8MHz以上這三個頻率中挑選出的FS1，FS2和FS3。

說到車載應用中的DCDC，讓大家提及最多的，想必也是困惑大家最多的EMI問題。對于EMI而言，開關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，從中可以發現限值線是分段斷續的，我們選擇的FS1，FS2，FS3就落在這三個斷續區域內。

那清晰了三個頻率的由來，接下來就是在不同的應用中，對三個頻率做出正確的評價，選對所需要的開關頻率。這一期將舉三個應用實例來進行分析，分別是車載傳感器，車載移動設備充電，和自動駕駛控制器。

1. 車載傳感器：攝像頭

相關要點：外圍器件尺寸

這類產品一直以來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，對于開關電源來說，要做的就是把開關頻率推向高頻，從而降低外圍器件尺寸。FS1（2MHz）在這里可以發揮其長處，同時也不用擔心2MHz會引起嚴重的發熱和EMI問題，因為攝像頭的功耗不大，對于12V 輸入來說，電流一般只有100-200mA，所以對于DCDC而言，其導通損耗較小。所以，即使抬高開關頻率增加的開關損耗也不會使得電源整體產生較高的溫升，同時，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，優化了高頻di/dt環路，EMI性能相對來說更加友好些。

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

2. 車載移動充電設備：車載USB充電

相關要點：開關損耗&芯片溫升

這類產品從原先的單口Type-A更新迭代到雙口Type-A，再到后來的雙口Type-C，以及目前的Type-C PD。其同樣對于PCB板有著一定的尺寸要求，雖不像攝像頭模組那般，但通常產品控制在50mm*50mm左右。

如果說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）實現產品的小型化就好了？以雙口Type-C為例，每個充電口可達到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，并且車載環境試驗通常要考慮在85℃情況下穩定運行。

可見，FS1不是最優解。

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關頻率選項。

3. 自動駕駛控制器：360環視ECU（Electronic Control Unit）

相關要點：芯片最小導通/關斷時間限制

此類應用，板面積相對來說沒那么緊張，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，因此對于開關頻率的選擇沒有那么苛刻。但攻城獅朋友們在設計中，還是需要將芯片本身的導通/關斷時間限制考慮在內。

比如在商用車中，其電池系統是24V，最高穩態值會達到32V，然后360環視系統中一般都需要3.3V的供電，那么這時壓差很大，如果頻率選擇FS1（2MHz），通過計算可以得出

再根據芯片數據手冊查詢到Minimum On Time如下所示，即觸發到了Min. On Time。所以需要選擇更低的頻率來避開觸發Min. On Time。

另外，環視系統中有時會提供一路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

同樣根據規格書所提供的Minimum Off time可見，最大會到70ns，所以也會觸發到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開關頻率下，就要結合具體的輸入輸出電壓條件，選擇最佳的開關頻率。

現在，針對汽車電子產品，大家可以識別出不同開關頻率的凡爾賽語錄了吧。不同開關頻率都各有特色，并不是一成不變的只選擇其中一種，還是要結合實際的產品應用來得出最合適的開關頻率，讓開關電源的性能更加穩定，更加卓越！

審核編輯 黃宇