如何利用高可靠性的電感器確保汽車安全

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛系統 (ADS) 屬安全關鍵型汽車自主駕駛系統。它們由一個或多個高級處理器組成，并會根據多個傳感器的輸入做出關鍵決策。這些處理器通常在各種低電壓水平下工作，但可能需要兩位數安培 (A) 的電流。

電源管理集成電路 (PMIC) 則用來向處理器提供多種電壓，但它們需要高可靠性的電感器來確保電力穩定。這些電感器必須能夠在高達 10 兆赫 (MHz) 的電源開關頻率下，以低功率損耗處理大電流。電感器還需要有較高的體積效率、較小的印刷電路板尺寸和較低的外形。與自動駕駛系統中的所有元器件一樣，它們必須滿足汽車行業所要求的嚴格的可靠性和安全標準，如 AEC-Q200。

本文簡要介紹了ADAS/ADS 的處理要求。然后，介紹了 [TDK]為這種應用專門設計的電感器，并說明其獨特的特性是如何幫助確保汽車設計的穩健和安全的。

自動駕駛系統

典型的 ADAS/ADS 會使用一個專門處理器，并與多個傳感器連接，以便快速做出自主駕駛所需的決策（圖 1）。

圖 1：ADAS/ADS 中的處理器需要電源提供可靠的大電流水平和較低的電壓，且由 PMIC 提供，以便根據傳感器輸入控制車輛。（圖片來源：EPCOS-TDK）

這些處理器的電源軌電壓通常較低，約為 1 伏，但電流水平可達十幾安，會對 PMIC 造成壓力。圖 1 中的次級轉換器使用 8 個功率電感器與 PMIC 一起向處理器供電。

功率電感器是在其電磁場中儲存能量的無源器件，廣泛用于電源電路和 DC/DC 轉換器中。與 PMIC 一起作為降壓轉換器使用，功率電感器是影響功率轉換過程性能的關鍵元件（圖 2）。

圖 2：單一降壓轉換器的簡化示意圖突現了功率電感器的作用。（圖片來源：EPCOS-TDK）

降壓轉換器產生的輸出電壓比輸入電壓低。在降壓轉換器中，會與輸入電壓源 (V IN ) 串聯一個開關。輸入源通過這個開關和一個低通濾波器向輸出端饋電。濾波器由一個功率電感器和一個輸出電容實現。在穩定的工作狀態下，當開關開啟的時間為 TON 時，輸入驅動輸出以及功率電感器。在這個 TON 期間，VIN 和輸出電壓 (V OUT ) 之間的電壓水平差正向施加到電感上，如圖 2 中“Switch On”箭頭所示。電感器電流 (I L ) 線性上升至 I peak 。

當開關關閉 (T OFF ) 時，由于電感器儲存的能量繼續通過換向二極管向負載提供電流，電感電流繼續沿相同的方向流動，如圖 2 中“Switch Off”箭頭所示。在這個 TOFF 期間，電感器的輸出電壓 VOUT 以相反的方向施加在它上面，電感器的電流從 Ipeak 值下降。這就產生了一個三角形的紋波電流。紋波電流的大小與功率電感器的電感量有關。電感值一般設置在能夠產生達到 20-30% 額定輸出電流的紋波電流的水平。輸出電壓將與開關的占空比成正比。

如果負載突然增加，就會出現輸出電壓下降，導致在短時間內通過功率電感器的峰值電流異常大，從而給輸出電容充電。功率電感器的值會影響轉換器的瞬態響應：小的電感器值會加快恢復時間，大的值會增加恢復時間。

在車輛環境中，這些電感器必須滿足非常高的電氣和機械標準。其中最重要的是高可靠性。擬在汽車中工作的無源元件的可靠性和質量必須達到汽車電子委員會 (AEC) 制定的標準要求。無源元件符合 AEC-Q200 標準，該標準是所有無源電子元件在用于汽車行業時必須滿足的全球應力耐受性標準。這些測試包括抗沖擊、振動、濕度、溶劑、焊接熱、電路板彎曲和靜電放電 (ESD)。測試還包括暴露在極端溫度下和熱循環中的 -40°C 到 +125°C 的溫度測試。

對于汽車應用，電感器必須具有緊湊的尺寸，并且能夠在預期的汽車溫度范圍內運行。后者的能力需要較低的串聯電阻，以最大限度地減少功率損失并降低溫升。電感器還應該能夠在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范圍的電源開關頻率下工作，并且還能夠處理可能出現高飽和電流的高瞬態負載。

設計用于汽車的功率電感器

EPCOS-TDK 的 [CLT32] 系列功率電感器專為 ADAS/ADS 應用而設計，具有高可靠性、高額定電流、低串聯電阻、高飽和電流和小尺寸等特性（圖 3）。

圖 3：TDK CLT32 系列功率電感器具有單件式線圈/端子結構，使用厚銅繞組，沒有內部連接。磁性成型材料確保了軟飽和特性。（圖片來源：EPCOS-TDK）

CLT32 功率電感器是圍繞著一個一體式厚銅線圈形成的，采用了一個一體化的端子結構。這意味著沒有內部連接導致不可靠的操作。厚實的銅線圈也使串聯電阻低至 0.39 毫歐 (mΩ) ，最大限度減少了功率損失。較低的電阻也導致了負載下產生的熱量較低。

線圈采用一種新開發的鐵磁性塑料化合物包覆而成，形成了線圈的核心和外殼。即使在高溫和高頻應用中，該芯材也具有優良的電氣特征。特別值得注意的是低磁芯損耗。此外，該材料能夠在低壓和低溫下加工，最大限度地減少了生產過程中對線圈的壓力。

與其他鐵氧體材料相比，該磁芯材料提供了軟飽和特征。由于磁飽和導致的電感變化會表示為飽和漂移，以電感變化的百分比來衡量（圖 4）。

圖 4：在對磁飽和的響應中，CLT32 磁芯表現出較低的飽和漂移，提供了一個軟響應。（圖片來源：EPCOS-TDK）

CLT32 磁芯材料提供了明顯較低的因飽和引起的電感值變化，特別是在較高的溫度下。其提供的最大飽和電流高至 60 A。

整個電感器裝在一個 3.2 × 2.5 × 2.5 毫米 (mm) 的扁平封裝中。這種高體積效率意味著可以使用多個電感器，而不必將設計轉移到更大的電路板上。電感器的額定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +165℃。這個溫度范圍超過了上面提到的 AEC-Q200 最高測試溫度 125℃ 的要求。

如表 1 所示，TDK CLT32 功率電感器的電感值從 17 到 440 納亨 (nH)。

| | 電感 | R DC ，典型值 | +23°C 時的 ISAT | 23°C 時 ITEMP 典型值 | 內部代碼 | 訂購代碼 |
| -------- | ------------------ | --------------------- | -------------------------- | ----------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 17 nH | 0.39 mΩ | 60.0 A | 45.0 A | B82403T0170M000 | [CLT32-17N]|
| 42 nH | 1.0 mΩ | 54.0 A | 28.0 A | B82403T0420M000 | [CLT32-42N]|
| 55 nH | 1.0 mΩ | 39.5 A | 28.0 A | B82403T0550M000 | [CLT32-55N]|
| 80 nH | 1.9 mΩ | 36.0 A | 20.0 A | B82403T0800M000 | [CLT32-80N]|
| 110 nH | 1.9 mΩ | 29.0 A | 20.0 A | B82403T0111M000 | [CLT32-R11]|
| 150 nH | 3.3 mΩ | 25.4 A | 15.4 A | B82403T0151M000 | [CLT32-R15]|
| 200 nH | 3.3 mΩ | 20.5 A | 15.4 A | B82403T0201M000 | [CLT32-R20]|
| 310 nH | 5.3 mΩ | 17.5 A | 12.1 A | B82403T0311M000 | [CLT32-R31] |
| 440 nH | 7.6 mΩ | 13.5 A | 10.1 A | B82403T0441M000 | [CLT32-R44]|

表 1：表中所示為 TDK CLT32 功率電感器的指定特征及其相應的訂購代碼。所有這些全部采用同一個 3.2 × 2.5 × 2.5 mm 扁平封裝。（表格來源：EPCOS-TDK）

按照本表，RDC 是指電感器的串聯電阻。請注意，由于更高的電感量需要更多的匝數，所以電感值與匝數成正比。ISAT 基于因飽和導致的電感值減少的飽和電流，與電感值成反比。Itemp 是最大的額定電流，基于封裝中的溫升。Itemp 也與電感值成反比。

功率電感器的損耗包括與線圈的串聯電阻成正比的直流損耗。由于集膚效應、磁滯損失和渦流損失，還存在交流損失。渦流交流損耗與磁芯材料有關。

與其他技術相比，如薄膜或金屬復合電感器，CLT32 電感器展示出更低的紋波電流功率損失（圖 5）。

圖 5：CLT32 功率電感器比薄膜或金屬復合電感器技術具有更低的紋波電流功率損耗。（圖片來源：EPCOS-TDK）

低交流紋波損失意味著可以容忍更高的紋波電流，允許 DC/DC 轉換器中電容值更低。

與其他類型的電感器相比，更低的損耗也轉化為更高的效率（圖 6）。

圖 6：單輸出降壓轉換器中的功率電感器性能比較顯示 CLT32 功率電感器的效率更高。（圖片來源：EPCOS-TDK）

在輕度負載下，磁芯損耗主導著功率電感器的效率。由于電阻損失，較高的負載會降低效率。在所有情況下，CLT32 功率電感器都優于其他技術。

結語

TDK CLT32 系列功率電感器融入了創新的設計理念，提供了比競爭技術更小的尺寸和更好的電氣性能，同時保證了更高的可靠性。其寬溫度范圍和寬頻率范圍使之成為下一代 ADAS/ADS 設計的理想元件。