汽車設(shè)計需要低EMI同步降壓型轉(zhuǎn)換器
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更小的電源轉(zhuǎn)換電路
有幾種方式可以縮小電源轉(zhuǎn)換電路。一般而言，電路中最大的組件不是電源 IC，而是外部電感器和電容器。通過將 IC 的開關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這些外部組件的尺寸可以大大減小 (解決方案占板面積可以減小 4 倍)。但是為了有效做到這一點，電源 IC 必須在較高頻率時提供高效率，這在以前一直是不可行的。不過，通過采用新的工藝和設(shè)計方法，已經(jīng)開發(fā)出提供 95% 以上效率同時以 2MHz 切換的同步電源 IC。高效率工作最大限度地降低了功耗，消除了對散熱器的需求，并且高效率工作還增加了可保持開關(guān)噪聲處于 AM 頻段以外的好處。
“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流
很多電子子系統(tǒng)都需要在“待機”或“?；?rdquo;模式工作，處于這種狀態(tài)時以穩(wěn)定電壓吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)導(dǎo)航、行車安全、安保以及引擎管理電子電源系統(tǒng)中都能看到這類電路。此外，這類子系統(tǒng)每個都可能含有幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型汽車都內(nèi)置超過 150 個這類DSP，其中大約 20% 需要始終保持接通工作。在這類系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須以兩種不同的模式工作。首先，當汽車處于運行時，為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。不過，當汽車點火系統(tǒng)關(guān)閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須“始終保持接通”，從而要求其電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過 30 個這類始終保持接通的處理器同時工作，那么，即使當點火系統(tǒng)關(guān)閉時，對電池也有相當大的功率需求?？傮w而言，可能需要數(shù)百毫安電源電流為這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時間內(nèi)徹底耗盡一個電池的電量。
因此，這些電源 IC 的靜態(tài)電流需要大幅降低以延長電池壽命，且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性。直到最近，對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流要求還是相互排斥的參數(shù)。大約十年前，幾家汽車制造商為始終接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器確定了一個<100μA 的低靜態(tài)電流目標，但是今天，低于 10μA 已成為首選。幸運的是，現(xiàn)在已有新一代電源 IC 可用，這些 IC 在備用模式下提供低于 2.5μA 靜態(tài)電流。
新型解決方案
直到現(xiàn)在，仍然沒有辦法確保通過選擇電源 IC 使 EMI 得到抑制，并滿足效率要求。不過 LT8640 Silent Switcher穩(wěn)壓器使這些成為可能。LT8640 是 Silent Switcher 高壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列的第二款器件。該器件是一款 5A(連續(xù)電流，峰值電流 7A)、42V 輸入同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。正如在圖 3 中可以看到的那樣，在沒有啟動擴展頻譜功能時，EMI 輻射比汽車 CISPER 25 Class 5 峰值限制值低 10dB 至 30dB。在最關(guān)鍵的汽車頻段，擴展頻譜將這些輻射值再降低5dB 至10dB。與現(xiàn)有最新開關(guān)穩(wěn)壓器相比，EMI 輻射合起來可降低超過 25dB。圖3中 LT8640 以 2MHz 頻率切換，負載電流為 4A，無需外部 EMI 屏蔽。
圖 3 有/無擴展頻譜時 LT8640 的EMI 輻射性能 (fSW=2MHz，ILOAD=4A)
Radiated EMI Performance： EMI 輻射性能
CISPR25 Radiated Emission Test with Class 5 Peak Limits：具 Class 5 峰值限制的 CISPR25 輻射測試
AMPLITUDE：幅度
VERTICAL POLARIZATION：垂直極化
PEAK DETECTOR：峰值檢測器
CLASS 5 PEAK LIMIT：Class 5 峰值限制
BURSTMODE：突發(fā)模式
SPREAD SPECTRUM MODE：擴展頻譜模式
FREQUENCY：頻率
圖 4 所示為 LT8640 的原理圖。同步整流無需任何外部二極管，從而提高了效率，同時減小了解決方案占板面積。這個原理圖電路采用 3.3μH 電感器，以 1MHz 開關(guān)頻率切換，提供 96% 的效率。不過，正如在圖 5 中所能看到的那樣，以 2MHz 頻率運行 LT8640 避開了與 AM 無線電頻段有關(guān)的任何干擾問題，且可以使用更小的 2.2μH 電感器，同時仍然提供 95% 的效率。LT8640 運用獨特設(shè)計，最大限度地降低了開關(guān)損耗，使該器件能夠以 2MHz 或更高的開關(guān)頻率提供較高的效率。
圖 4 LT8640 典型汽車應(yīng)用原理圖，提供 5V 輸出
圖 5 LT8640 在 1MHz、2MHz 和 3MHz 時的效率曲線
12VIN to 5VOUT Efficiency：12VIN 至 5VOUT 效率
EFFICIENCY：效率
POWER LOSS：功耗
LOAD CURRENT：負載電流
LT8640的3.4V至42V輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車及工業(yè)應(yīng)用。內(nèi)部高效率開關(guān)在電壓低至0.97V時提供高達5A的連續(xù)輸出電流和7A峰值負載。其突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作僅消耗 2.5μA 靜態(tài)電流，從而非常適合汽車始終保持接通系統(tǒng)等應(yīng)用，因為這類系統(tǒng)需要延長電池工作壽命。LT8640 的獨特設(shè)計在所有條件下保持了僅為100mV(在1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車冷車發(fā)動等情況下表現(xiàn)出色。此外，短至僅為 40ns 的最短接通時間在16V輸入至1.5V輸出時實現(xiàn)了 2MHz 恒定頻率切換，從而使設(shè)計師能夠優(yōu)化效率，同時避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8640 的20 引線3mmx4mmQFN封裝和高開關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。
結(jié)論
汽車中極端復(fù)雜的電子系統(tǒng)迅速增加，對電源管理 IC 提出了更高的要求，同時大負載電流、高開關(guān)頻率和高效率設(shè)計合起來帶來了巨大的 EMI 挑戰(zhàn)。不過，LT8640 的獨特設(shè)計提供了高效率、快速切換性能，實現(xiàn)了占板面積非常緊湊的解決方案，并且 EMI 輻射超低，從而在電源 IC 領(lǐng)域樹立了全新標準，也為未來汽車中增加更多的電子系統(tǒng)鋪平了道路。
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