汽車ADAS與開關轉換器知識分享

到 2020 年，ADAS 市場預計將達到 600 億美元 [數據來源：Allied Market Research]。這意味著，在 2014 年到 2020 年這個時間段內，年復合增長率為 22.8%。顯然，這對半導體產品而言，意味著巨大的機會！

ADAS 是 “高級駕駛員輔助系統 (Advanced Driver AssistanceSystems)” 的英文首字母縮略語，在今天的很多新型汽車中都能經常見到。這類系統常常方便了安全駕駛，如果系統檢測到來自周圍物體的風險，例如不守規矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車輛，就會向駕駛員發出警報。此外，這類系統通常還會提供動態功能，例如自適應巡航控制、盲點檢測、車道偏離警告、駕駛員犯困監視、自動剎車、牽引力控制和夜視。因此，在當前這 10 年的后半段，消費者對安全的日益關注、對駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規，成了汽車 ADAS 增長的主要驅動力。

這種增長的到來必然伴隨著對這個行業的挑戰，其中包括價格壓力、通貨膨脹、測試這類系統的復雜性和困難。此外，歐洲是最具創新性的汽車市場之一，這一點應該不足為奇，因此，歐洲已經看到，ADAS 正大舉進入市場，歐洲汽車行業的客戶在大量采用 ADAS。不過，美國和日本汽車制造商也沒有很落后。汽車行業的最終目標是，提供無人坐在方向盤后面的自動駕駛汽車！

一般而言，ADAS 系統中包括某種處理器，以收集來自汽車中無數傳感器的輸入數據，然后處理這些數據，以便能夠以容易理解的方式方便地提供給駕駛員。此外，這類系統通常直接由汽車的主電池供電，其標稱電壓為 9V 至 18V，不過由于系統中的電壓瞬態而可能高達 42V，以及在冷車發動情況下可能低至 3.5V。因此，很顯然的是，這類系統中的任何 DC/DC 轉換器最低限度都必須能夠應對 3.5V 至 42V 的寬輸入電壓范圍。

很多 ADAS 系統都是用 5V 和 3.3V 軌給各種模擬和數字 IC 產品供電，然而，通常使用的處理器 I/O 及內核電壓的運行要求卻處于低于 2V 的范圍，而且有可能低至 0.8V。此外，這類系統常常安裝在汽車中某一空間和散熱都受限的地方，因此限制了可用于冷卻用途的散熱器的使用。盡管人們普遍使用高壓 DC/DC 轉換器直接從電池產生 5V 和 3.3V 電源軌，但是在今天的 ADAS 系統中，開關穩壓器還必須以 2MHz 或更高的頻率切換，而不是過去低于 500kHz 的開關頻率。這種變換背后的關鍵驅動力是，需要占板面積更小的解決方案，同時保持高于 AM 頻段，以避免任何潛在的干擾。

最后，似乎設計師的任務還不夠復雜，他們還必須確保 ADAS 系統符合汽車中的各種抗噪聲標準要求。在汽車環境中，對有些區域，低熱耗散和高效率是很重要的，在這些區域，開關穩壓器正在取代線性穩壓器。此外，開關穩壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個轉換器電路的 EMI 性能有很大的影響。

有兩種類型的 EMI 輻射：傳導型和輻射型。傳導型輻射依賴連接產品的導線和走線。既然這種噪聲局限于設計中的特定端子或連接器處，那么如之前已經提到的那樣，通過良好的布局或濾波器設計，常常在開發過程相對較早的階段，就能夠確保符合傳導型輻射要求。

然而，輻射型輻射就完全是另外一回事了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線，每一個銅平面都是一個諧振器。除了純粹的正弦波或 DC 電壓，任何信號都產生遍布信號頻譜的噪聲。即使經過了仔細設計，在系統經過測試之前，電源設計師仍然從來無法確知輻射型輻射將會多嚴重。而且，在設計從根本上完成之前，無法正式進行輻射型輻射測試。

濾波器常常用來衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強度以降低 EMI。通過增加金屬屏蔽和磁性屏蔽，可以衰減通過空間 (輻射型) 傳播的那部分能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以控制依賴 PCB 走線 (傳導型) 的那部分能量。EMI 無法完全消除，但是可以衰減到一個其他通信和數字組件可以接受的水平。此外，幾個監管機構也要求執行一些標準，以確保符合 EMI 要求。

與通孔式組件相比，采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件的性能更高。然而，這種改進的速度慢于開關穩壓器開關工作頻率提高的速度。開關轉換速度提高，會使效率提高、最短接通和斷開時間縮短，但是諧波分量增大了。開關頻率每增大一倍，在開關容量和轉換時間等所有其他參數保持恒定時，EMI 惡化6dB。寬帶 EMI 的表現就像一個一階高通濾波器，如果開關頻率提高 10 倍，輻射就增大20dB。熟練的 PCB 設計師將設計很小的熱環路，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中存儲充足能量所需的器件引腳布局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了熱環路的最小尺寸。使問題更加復雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將全面減弱濾波器的作用，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越有效。

由于上述的應用限制，凌力爾特公司 (最近已被 ADI 收購) 開發了 LT8650S，這是一款能接受高輸入電壓的雙輸出單片同步降壓型轉換器，具很低的 EMI/EMC 輻射。其 3V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合包括 ADAS 在內的汽車應用，汽車應用必須穩定通過最低輸入電壓低至 3V 的冷車發動和停-啟情況、以及超過 40V 的負載突降瞬態。正如在圖 1 中能看到的那樣，這是一款雙通道設計，由兩個高壓 4A 通道組成，提供低至 0.8V 的電壓，從而使該器件能夠驅動目前可用和電壓最低的微處理器內核。其同步整流拓撲在 2MHz 開關頻率時提供高達 94.4% 的效率，而突發模式 Burst Mode^?) 運行在無負載備用條件下保持靜態電流低于 6.2μA (兩個通道都接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通系統。

圖 1：LT8650S 原理圖 ─ 在 2MHz 時提供 5V/5A 和 3.3V/4A 輸出

LT8650S 的開關頻率可以設定在 300kHz 至 3MHz 范圍內，并可同步至這一范圍。其 40ns 最短接通時間允許在高壓通道以 2MHz 開關頻率進行 16V_IN 至 2.0V_OUT 降壓轉換。其獨特的 Silent Switcher^?2 架構使用兩個內部輸入電容器以及內部 BST 和 INTV_CC 電容器，以最大限度減小熱環路面積。LT8650S 的設計兼具控制良好的開關邊沿和一種具整體接地平面的內部結構，并用銅柱代替了接合線，因此顯著降低了 EMI / EMC 輻射。參見圖 2以了解輻射輸出特性。這種改進的 EMI / EMC 性能對電路板布局不敏感，從而簡化了設計并降低了風險，甚至在使用兩層 PC 板時也不例外。LT8650S 在整個負載范圍內以 2MHz 開關頻率切換時，能夠非常容易地滿足汽車 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。擴展頻譜頻率調制也可用來進一步降低 EMI 水平。

圖 2：LT8650S 的輻射 EMI 圖

LT8650S 使用內部頂部和底部高效率電源開關，單個芯片內集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發模式運行在低輸出電流時保持高效率，同時保持輸出紋波低于 10mV_p-p。最后，LT8650S 采用小型耐熱性能增強型 4mm x 6mm 32 引腳 LGA 封裝。

結論

可以毫無疑問地說，ADAS 系統在汽車市場的滲透將不會很快結束。此外，很顯然的是，找到一種滿足所有必要的性能標準以不對 ADAS 系統造成干擾的電源轉換器件，不是一項簡單的任務。幸運的是，對這類系統的設計師而言，凌力爾特公司 (現隸屬 ADI 公司) 的電源產品部提供了 “同類最佳” 的電源轉換器，這些轉換器極大地簡化了這些設計師的任務，同時無需復雜的布局或設計方法，就可為設計師們提供需要的所有性能。