高功率单片式Silent Switcher 2稳压器满足CISPR 25 Class 5 EMI要求并适合狭小空间

发布时间:2018年10月26日 19:10    作者:eechina
关键词: Silent Switcher , 汽车环境 , EMI , LT8650S
作者:Hua (Walker) Bai、Dong Wang 和 Ying Cheng,Analog Devices

随着汽车中电子系统数量的成倍增加,车内产生电磁干扰的风险也大幅升高了。因此,新式车辆中的电子产品常常必须符合 CISPR 25 Class 5 EMI 测试标准,该标准对传导型和辐射型 EMI 发射做了严格的限制。由于其本身的性质,开关电源充斥着 EMI,并在整个汽车中“弥漫扩散”。如今,低 EMI 与小的解决方案尺寸、高效率、散热能力、坚固性和易用性一起,成为了对汽车电源的一项关键要求。Silent Switcher 2 稳压器系列可满足汽车制造商严格的 EMI 要求,同时拥有紧凑的尺寸以及集成化 MOSFET 和高电流能力。

已获专利的 Silent Switcher 技术在高频、高功率电源中实现了令人印象深刻的 EMI 性能。作为这项技术的下一代,Silent Switcher 2 简化了电路板设计和制造,其所采取的方法是把热环路电容器纳入到封装中,因此 PCB 布局对于 EMI 的影响极小。


SILENT SWITCHER 2 稳压器为 SOC 供电

当今 (及未来) 车辆上所使用的片内系统 (SOC) 器件与前几代同类产品几乎没有什么相似之处。信息娱乐系统和车辆安全系统之特性和功能的指数性增加迫切要求 SOC 处理数据的速度比过去提高几个数量级,包括以极少的延迟处理来自多个信号源的高分辨率视频数据。例如,倘若汽车的前置摄像头“看到”了某种危险,则汽车必须立刻做出响应,要么提醒驾驶者注意,要么刹车制动。为了满足最新的计算需求,SOC 在其封装中集成了越来越多的高耗电器件,可是,将怎样提供这些所需的功率呢? 在汽车中,功率输送方案必须具有高效、紧凑和低 EMI 的特点。SOC 增加的需求使得它们更难以满足。

比如,一个 R-Car H3 SOC 包含 8 个 ARM 内核、DSP、视频和图形处理器、以及辅助的支持器件。所有这些组件均需要可靠的电源,包括三个用于外设和辅助组件的电源轨 (5V、3.3V 和 1.8V)、两个用于 DDR3 和 LPDDR4 的电源轨 (1.2V 和 1.1V)、和另一个用于内核的电源轨 (0.8V)。

为了支持 SOC 所需的电流水平,具有外部 MOSFET 的开关电源控制器是优先于单片式电源器件的传统选择方案。单片式器件因其内部 MOSFET 最大限度缩减了成本和解决方案尺寸而引人注目,但是它们在传统上受限的电流能力和存在的热问题则通常限制了其使用。LT8650S 和一个新的单片式降压型 Silent Swicther 稳压器系列拥有支持 SOC 的电流能力和热管理特性。

由于具备高效率和热管理特性,因此 Power by Linear™ LT®8650S、LT8609S 和 LT8645S 的输出电流能力比典型单片式稳压器高得多。3V 至 42V (对于 LT8645S 则为 65V) 的输入电压范围涵盖了汽车电池的各种电量条件。这些单片式 IC 具有集成的 MOSFET,并能以高于 2MHz 的频率运行,因而缩减了解决方案尺寸和成本,同时避开了 AM 频段。Silent Switcher 稳压器专为最大限度降低 EMI 而设计,从而使其成为适合 SOC 的一种热门选择。


双输出:5V/4A 和 1V/4A

图 1 示出了一款双输出 (2MHz 5V/4A 和 1V/4A) 解决方案,其采用了 LT8650S 的两个通道。这款电路可容易地进行修改以适合其他的输出组合,包括诸如 3.3V 和 1.8V 或 3.3V 和 1.1V 等,以利用 LT8650S 的宽输入范围。LT8650S 还可用作第一级转换器,后随用于提供更多输出的各种较低功率第二级开关稳压器或 LDO 稳压器。

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图 1:采用 LT8650S 两个通道的双输出 (5V/4A 和 1.0V/4A) 解决方案

LT8650S 运用了可消除 EMI 的 Silent Switcher 2 设计,具有集成的热环路电容器,旨在最大限度减小噪声天线尺寸。结合集成化 MOSFET,这实现了异常优越的 EMI 性能。

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图 2:适合 SOC 应用的 4 相、3.3V/16A、2MHz 解决方案


适用于 SOC 的 16A 解决方案

图 2 示出了一款用于提供 SOC 电源的 3.3V/16A、四相解决方案。图 3 示出了辐射 EMI 测试结果。

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图 3:图 2 所示解决方案的辐射 EMI 测试结果

另外,汽车 SOC 还对电源负载瞬态响应有着极高的要求。外设电源的负载电流转换速率达到 100A/µs (内核电源则更高) 的情况并不少见。无论负载的变化情况如何,电源都必须最大限度减小输出电压瞬变。快速开关频率 (比如 LT8650S 系列能达到 2MHz) 有助于加快瞬变恢复的速度。在采用正确环路补偿的情况下,较快的开关频率对应于较快的动态响应。图 2 给出了适合的组件值。在电路板布局中,应尽量地减小从电路的输出电容器至负载的走线电感,这一点也是至关紧要的。图 4 给出了图 2 所示解决方案的瞬态测试结果。

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图 4:图 2 所示解决方案的负载瞬态响应


针对较低功率应用的高效率、紧凑型解决方案


除了诸如 SOC 和 CPU 等低电压、高电流应用之外,汽车和其他车辆还需要用于众多低电流负载的电源,例如:仪表板、平视显示器、车联网 (V2X)、传感器USB 充电器,等等。

由于可用空间和电池电量受限,因此对于电源转换器来说,高效率和小解决方案尺寸是最重要的要求。低噪声是前提条件。LT8609S 是一款针对所有这些应用的合适解决方案。该器件设计了针对汽车电池条件的 3V 至 42V 输入电压范围。集成的 MOSFET、内置的补偿电路和 2MHz 的工作频率最大限度减小了 LT8609S 解决方案尺寸。在 LT8609S 中运用了 Silent Switcher 2 技术和集成型热环路电容器,以尽量地降低噪声电平并提供优异的效率指标以及卓越的 EMI 性能。图 5 示出了采用 LT8609S 的 2MHz、5V/2A 应用。

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图 5:采用 LT8609S 的 2MHz 5V/2A 应用


图 6 示出了一款安置在两层电路板上的完整 LT8609S 稳压器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和内置补偿电路把组件数目减少为器件本身和少量的外部组件。再加上高速开关频率,该典型应用的核心解决方案总体尺寸仅为 11.5mm x 12.3mm。

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图 6:LT8609S 两层电路板的小解决方案尺寸

降低解决方案成本的一种方法是尽量减少所需的 PCB 层数,但是这需要以牺牲性能为代价是可以预料到的。例如,就所实现的 EMI 性能而言,两层电路板解决方案与四层电路板解决方案预计是不等同的。图 7 中的 EMI 测试结果显示:采用两层电路板的 LT8609S 可满足 CISPR 25 Class 5 EMI 辐射限制要求。对采用两层和四层电路板的等效解决方案之 EMI 性能进行了比较。

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图 7:(a) 采用一块两层电路板的 LT8609S 之平均辐射 EMI 测试结果显示了在启用扩展频谱频率调制功能时以进一步降低 EMI 的情况。(b) 装有 LT8609S 的两层和四层电路板的峰值辐射 EMI 性能比较。

一般来说,Silent Switcher 2 技术可在采用两层甚至单层电路板的情况下获得极佳的 EMI 性能,因而能够极大地降低制造成本。

当使用的电路板层数较少时,热性能通常是一个让人担心的问题,但是在采用 LT8609S 时情况则不是这样。Silent Switcher 2 技术的低噪声电平和高效率具有的优势是开关转换产生的功率损耗很低。这与增强型散热封装相结合,使 LT8609S 展现出骄人的热性能。图 8 示出了两层电路板和四层电路板之间的热性能对比。由图可见,对于 12V 电池输入,LT8609S 在满负载条件下工作时的温升差异小于 11°C。

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图 8:装有 LT8609S 的两层和四层电路板的热性能比较。


面向 48V 汽车系统的 SILENT SWITCHER 2 解决方案

传统车辆采用 12V 电池以为点火、照明、音频和信息娱乐电子设备、安全功能装置及其他系统供电。不幸的是,12V 汽车系统的供电能力被限制在 3kW,而数量庞大的汽车电子产品对这道“界限”发起的挑战日益增多。

这个问题,再加上电动汽车和自动驾驶系统的出现,对功率输送规范提出了挑战,汽车行业随之将转向 48V 电池电源作为一种解决方案。与 12V 电气系统相比,48V 电气系统在功率需求很高的情况下可降低配电损耗,从而改善整体效率。

在 48V 系统中,对 DC/DC 转换器提出的挑战是必需保持与 12V 系统相似的转换效率、尺寸和低 EMI,而此时,高降压比使得这些规格指标的满足更加困难。由采用 48V 电池电源产生的好处不应在 DC/DC 转换过程中白白丢失。能够以 2MHz 频率运行以避免干扰 AM 频段的单片式开关稳压器非常适合 48V 汽车电气系统,只要它们能高效地做到这一点就行。

能够接受 48V 标称输入的单片式降压型稳压器数量有限,它们大多支持小于 5A 的负载电流。LT8645S 单片式降压型稳压器可依靠高达 65V 的输入电压支持 8A 负载。其 40ns 的最短接通时间 (TON) 和快速干净的开关边沿 (图 9) 可实现高开关频率和高效率 (在 2MHz 时高达 94%)。

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图 9:单片式 Silent Switcher 器件采用 MOSFET 驱动器设计,可产生快速、干净的开关边沿。这实现了高效率,即使在高频操作情况下也不例外。另外,创新的驱动器还最大限度减少了过冲,并抑制了振铃,而在采用其他驱动器时这些将成为产生 EMI 的一个来源。

集成化补偿电路和旁路电容器最大限度减小了总体解决方案尺寸,并简化了低 EMI 布局。利用一个简单的铁氧体磁珠滤波器,LT8645S 能够通过 CISPR 25 Class 5 EMI 规格限制,并留有裕度。

图 10 示出了采用 LT8645S 的超低 EMI 2MHz、5V/8A 应用。图 11 示出了 LT8645S 的效率,图 12 显示了 LT8645S 解决方案尺寸。

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图 10:采用 LT8645S 的超低 EMI 5V/8A 应用

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图 11:用于该超低 EMI 解决方案时的 LT8645S 效率

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图 12:LT8645S 演示电路的小解决方案尺寸

LT8645S 拥有支持高降压比的非凡能力,甚至当工作在高开关频率时也是如此,这得益于其 40ns 的最短接通时间。例如,LT8645S 能在 1MHz 开关频率下从一个高达 30V 的输入产生 1.8V 输出。如果跳过某些开关周期是可以接受的,那么输入可升高至 65V 的绝对最大额定值。

当输出低于 3.1V 时,LT8645S 的 BIAS 引脚应连接至一个高于 3.1V 的外部电源以改善效率。如果没有这样的电源可用,则将 BIAS 引脚连接至 GND。图 13 示出了一款可在 65V 输入瞬变情况下正常工作的 1MHz 1.8V/8A 解决方案。

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图 13:采用 LT8645S 的 1MHz 1.8V/8A 应用电路能承受高达 65V 的输入瞬变

除了低 EMI、可在高频条件下实现高效率、并具有宽输入电压范围之外,LT8645S 的特点还包括超低静态电流和低压差。在闲置状态下,超低的静态电流能够延长电池运行时间。低压差特性对于在冷车发动情况下持续运作是至关紧要的。


结论

Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 稳压器可满足汽车环境苛刻的 EMI 辐射要求。请见表 1 罗列的 Silent Switcher 器件,其中包括本文介绍的几款产品。

在本文着重介绍的器件中,LT8650S 双通道同步单片式 Silent Switcher 2 稳压器为 SOC 应用提供了宽输入电压范围、优异的 EMI 性能和小的解决方案尺寸,同时还可提供多个高电流输出和快速瞬态响应。LT8609S 同步单片式 Silent Switcher 2 稳压器提供了宽输入电压范围、低静态电流、卓越的 EMI 性能、小的解决方案尺寸和高效率,该器件能够容易地满足当今汽车中无处不在的电源系统之要求。LT8645S (输入至 65V) 可构成适合 48V 汽车系统的紧凑型低 EMI 解决方案。

表 1。低 EMI Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 (“S”)同步降压型稳压器。对在本文中描述的器件做了突出显示。
器件输出的VIN 范围输出电流峰值效率IQ特点封装
数量
LT8650S23V ~ 42V在两个通道上提供 4A +  4A94.60%6.2µASilent Switcher 26mm x 4mm × 0.94mm LQFN
或在任一个通道上提供 6A
LT86545S13.4V ~ 65V8A94%2.5µASilent Switcher 26mm x 4mm  × 0.94mm LQFN
LT8643S13V ~ 42V6A (连续)95%120µASilent Switcher 24mm x 4mm × 0.94mm LQFN
7A (峰值)外部补偿
LT8640S13V ~ 42V6A (连续)95%2.5µASilent Switcher 24mm x 4mm × 0.94mm LQFN
7A (峰值)
LT8609S13V ~ 42V2A (连续)93%2.5µASilent Switcher 23mm x 3mm x 0.94mm LQFN
3A (峰值)
LT864113V ~ 65V3.5A (连续)94%2.5µASilent Switcher3mm × 4mm
5A (峰值)QFN-18
LT8640 LT8640-113.4V ~ 42V5A (连续)95%2.5µASilent Switcher 3mm × 4mm
7A (峰值)脉冲跳跃模式操作  (LT8640)QFN-18
 强制连续模式操作  (LT8640-1) 
LT861413.4V ~ 42V4A94%2.5µASilent Switcher3mm x 4mm
低纹波突发模式QFN-18
(Burst  Mode®) 操作 


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