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背景信息

ADAS 是“高級駕駛員輔助系統(tǒng) (Advanced Driver Assistance Systems)”英文的首字母縮寫詞，在如今很多新型轎車和卡車中比較常見。這類系統(tǒng)通常更容易實(shí)現(xiàn)安全駕駛，而且如果系統(tǒng)檢測到來自周圍物體的風(fēng)險(xiǎn)，例如行為不當(dāng)?shù)男腥�、騎行者甚至其他行駛方向不安全的車輛等，還能夠提醒駕駛員。此外，這類系統(tǒng)一般提供動(dòng)態(tài)功能，例如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動(dòng)剎車、牽引力控制和夜視。因此，對當(dāng)前這個(gè) 10 年的后半段而言，消費(fèi)者越來越關(guān)注安全問題、提高駕駛舒適度的需求以及政府安全監(jiān)管的日益加強(qiáng)，是汽車中 ADAS 增長的主要驅(qū)動(dòng)因素。

這種增長伴隨著對業(yè)界的挑戰(zhàn)而來，包括價(jià)格壓力、通貨膨脹以及這類系統(tǒng)的測試復(fù)雜性和難以測試。此外，歐洲汽車行業(yè)是最具創(chuàng)新性的汽車行業(yè)之一，因此，ADAS 大舉進(jìn)入歐洲市場、歐洲客戶大量采用這類系統(tǒng)就不足為奇了。不過，美國和日本的汽車制造商也并未落后很多。汽車行業(yè)的終極目標(biāo)是，提供無需人坐在方向盤后面的自主駕駛汽車!

系統(tǒng)挑戰(zhàn)

一般而言，ADAS 系統(tǒng)采用某種處理器來收集汽車中無數(shù)傳感器提供的所有輸入信息，然后處理這些信息，以便能夠方便地、以駕駛員非常容易理解的方式將信息呈現(xiàn)給駕駛員。此外，這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電，汽車中主電池的標(biāo)稱電壓為 9V 至 18V，但是由于系統(tǒng)內(nèi)的電壓瞬態(tài)，這一電壓可能高達(dá) 42V，而在冷車發(fā)動(dòng)情況下可能低至 3.4V。因此，這類系統(tǒng)中的任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都必須至少能夠應(yīng)對 3.4V 至 42V 的寬輸入電壓范圍。此外，很多雙電池系統(tǒng)，例如卡車中常見的那類雙電池系統(tǒng)，甚至需要更寬的輸入范圍，因此將電壓范圍的上限推高至 65V。結(jié)果，有些 ADAS 制造商將其系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可涵蓋 3.4V 至 65V 輸入電壓范圍，以便其系統(tǒng)既能夠用在轎車中，也能夠用在卡車中，同時(shí)在制造過程中獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。

很多 ADAS 系統(tǒng)用 5V 和 3.3V 軌為各種模擬和數(shù)字 IC 組件供電，相應(yīng)地，這類系統(tǒng)的制造商喜歡使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)應(yīng)對單電池和雙電池配置。此外，這類系統(tǒng)通常安裝在車輛的某一部分上，而汽車在空間和熱量方面都受到限制，因此限制了實(shí)現(xiàn)冷卻的散熱能力。盡管用高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生 5V 和 3.3V 軌較常見，但是在如今的 ADAS 系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)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(guān)頻率。這種變化背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是，需要占板面積更小的解決方案，同時(shí)頻率保持高于 AM 頻段以避免潛在的干擾。

此外，就像設(shè)計(jì)師的任務(wù)還不夠復(fù)雜似的，他們還必須確保，ADAS 系統(tǒng)符合汽車中各種抗噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。在汽車環(huán)境中，低熱量和高效率對有些區(qū)域很重要，在這些區(qū)域，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。另外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，因此對整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有重大影響。

EMI 輻射有兩種類型：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型輻射依靠連接產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線傳播。既然噪聲位于設(shè)計(jì)中特定的端子或連接器處，那么正如已經(jīng)提到的那樣，采用良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常常可以在開發(fā)過程中，相對較早地確保滿足傳導(dǎo)型輻射要求。

然而，輻射型 EMI 則完全另當(dāng)別論了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一個(gè)天線，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。甚至經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)師仍然無法確知，輻射型 EMI 會有多嚴(yán)重，直到系統(tǒng)經(jīng)過測試才知道。而且，在設(shè)計(jì)從根本上完成之前，不能正式進(jìn)行輻射型 EMI 測試。

濾波器可以衰減某一頻率或一系列頻率上的 EMI 強(qiáng)度，因此常常用來降低 EMI。增加金屬和磁屏蔽，可以衰減一部分通過空間傳播的 (輻射型) EMI 能量。依靠 PCB 走線傳播的部分 (傳導(dǎo)型) 可以通過增加鐵氧體珠和其他濾波器來控制。EMI 不可能消除，但是可以衰減至其他通信和數(shù)字組件可接受的水平。另外，幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)以確保符合 EMI 要求。

采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件之性能比通孔式組件高。不過，這種改進(jìn)被開關(guān)穩(wěn)壓器日益提高的開關(guān)工作頻率抵消了。更高的效率、較短的最短接通和斷開時(shí)間實(shí)現(xiàn)了更快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致更高的諧波分量。開關(guān)容量、轉(zhuǎn)換時(shí)間等其他所有參數(shù)保持不變時(shí)，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個(gè)一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率增大 10 倍，輻射就增加 20dB。

精明的 PCB 設(shè)計(jì)師會使熱環(huán)路很小，并使屏蔽接地層盡可能靠近有源層。然而，去耦組件存儲充足的能量所需的器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問題進(jìn)一步復(fù)雜化的是，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減少所有濾波器的作用，因?yàn)橹C波頻率越高，不想要的磁耦合就越有影響力。

具低 EMI 輻射的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

由于上述應(yīng)用限制，ADI 公司開發(fā)了 Power by Linear™ LT8645S，這是一款高輸入電壓單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器，而且其具有低 EMI 輻射。3.4V 至 65V 輸入電壓范圍使該器件非常適合包括 ADAS 在內(nèi)的轎車和卡車應(yīng)用，因?yàn)檫@類應(yīng)用必須穩(wěn)定應(yīng)對最低輸入電壓低至 3.4V 的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況，以及超過 60V 的拋載瞬變情況。圖 1 所示是一個(gè)單通道設(shè)計(jì)，在 5V 時(shí)提供 8A 輸出。其同步整流拓?fù)湓?2MHz 開關(guān)頻率時(shí)提供高達(dá) 94% 的效率，而突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)行在無負(fù)載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 2.5µA，因此該器件非常適合始終保持接通系統(tǒng)。

圖 1：在 2MHz 時(shí)提供 5V/8A 輸出的 LT8645S 原理圖

LT8645S 的開關(guān)頻率可在 200kHz 至 2.2MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，并在整個(gè)范圍內(nèi)可同步。其獨(dú)特的 Silent Switcher® 2 架構(gòu)集成了內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部 BST 和 INTVCC 電容器，以減小解決方案占板面積。再加上得到良好控制的開關(guān)邊沿以及具整體接地平面并用銅柱取代接合線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，LT8645S 的設(shè)計(jì)顯著降低了 EMI 輻射。此外，其 Silent Switcher 2 設(shè)計(jì)在任何印刷電路板 (PCB) 上都能夠提供可靠的 EMI 性能，包括在雙層 PCB。而且與其他可比較轉(zhuǎn)換器相比，該器件對 PCB 布局的敏感性低得多。之所以能夠達(dá)到這種全新的性能水平，是因?yàn)?LT8645S 的內(nèi)部有雙輸入、BST 和 INTVCC 電容器，這些電容器最大限度減小了熱環(huán)路面積。該器件仍然需要兩個(gè)外部輸入電容器，但是盡可能靠近輸入引腳放置這一要求卻極大地放寬了。與最大限度減小熱環(huán)路面積的內(nèi)部電容器相結(jié)合，BT 襯底集成的接地平面顯著改善了 EMI 性能。多層 BT 襯底還使 I/O 引腳能夠使用與 QFN 封裝完全相同的布局，同時(shí)支持較大的接地散熱焊盤。

LT8645S 可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)非常容易地滿足汽車 CISPR25、Class 5 EMI 限制 (參見圖 2)。該器件還提供擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，以進(jìn)一步降低 EMI 水平。LT8645S 采用內(nèi)部頂端和底端高效率電源開關(guān)，單個(gè)芯片內(nèi)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(fā)模式 (Burst Mode) 運(yùn)行在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于10mVp-p。最后，LT8645S 采用小型耐熱增強(qiáng)型 4mm x 6mm 32 引腳 LQFN 封裝。

圖 2：LT8640S 的輻射型 EMI 性能圖

結(jié)論

ADAS 系統(tǒng)在轎車和卡車中的激增不會很快結(jié)束。另外，也很顯然的是，要找到合適的、滿足所有必要性能要求的電源轉(zhuǎn)換器件以避免對 ADAS 系統(tǒng)造成干擾并不是個(gè)簡單的任務(wù)。幸運(yùn)的是，這類汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以使用 ADI 公司 Silent Switcher 2 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供的高性能功能。這些轉(zhuǎn)換器不僅極大地簡化了電源設(shè)計(jì)師的任務(wù)，同時(shí)無需復(fù)雜的布局或設(shè)計(jì)方法，就能夠提供全部所需性能。