如何为车辆ADAS设计更好的高电流开关电源

作者：ADI工业和多市场业务部应用工程师Ying Cheng

在如今的车辆之中，高级驾驶员辅助系统(ADAS)的重要性与日俱增。它们可以帮助尽可能减少人为操作错误，提升驾驶员和道路安全。早期的ADAS只包含单个自动驾驶员辅助功能，例如使用一个雷达传感器的自适应巡航控制功能。现在，越来越多的ADAS功能被应用到汽车上，例如自动紧急停车、盲点监测、车辆/行人报警和避让、车道偏离报警和辅助等。ADAS的发展意味着这些车辆会使用更多的传感器和摄像头、功能强大的实时数据处理和计算，以及高速通信，而这些均提高了耗电量。例如，第一代ADAS片上系统(SoC)（例如2008年的Mobileye EyeQ）仅消耗2W~3W功率。但新发布的ADAS SoC，例如NVIDIA® Xavier™，由于强大的数据处理和计算能力，需消耗20W~30W或更多功率。ADAS的电源由12V电池提供。它先被转换成5V或3.3V中间供电轨，然后转换成SoC内核、接口、外设等所需的不同的低电压。在ADAS SoC的功耗增大之后，中间供电轨转换器需要输出10A或更高的电流，以满足其要求。

在设计大电流中间电源时，传统方法是使用降压控制器。但是，由于需要使用外部MOSFET，所以这种方法的总解决方案尺寸较大。因此很难将控制器电源解决方案安装到空间有限的位置，这是汽车ADAS应用面临的常见问题。关于汽车开关电源的另一个问题是：电磁辐射。电源设计人员需要解决严格的辐射和传导电磁辐射限制带来的挑战，汽车行业必须遵守该限制。在功耗增加之后，这些电磁辐射标准更难以满足。为了满足功率、尺寸和电磁辐射限制，ADI公司开发了2款42V大电流单片式Silent Switcher稳压器：LT8638S和LT8648S。

使用LT8638S的紧凑型10A/12A峰值电源解决方案

LT8638S是一款42V、10A单通道降压稳压器，采用4mm × 5mm LQFN封装，其中包含所有控制电路和MOSFET。短时间内，其输出电流可以达到12A。LT8638S是非常适合用于紧凑型10A中间供电轨的替代选项。图1显示了典型的5V/10A LT8638S的原理图。LT8638S稳压器的开关频率可在200kHz至3MHz范围内调节。表1列出了400kHz LT8638S电路和2MHz LT8638S电路的主要组成部分。图2显示在演示板DC2929A上，在400kHz和2MHz时，LT8638S的效率和温度升高情况。

图1.使用LT8638S的5 V/10 A电源

表1.图1所示的原理图包含的组件


 
图2.图1所示的电路的效率和温度上升情况

比较LT8638S 400kHz电路和LT8638S 2MHz电路，可以看出，400kHz电路的电感大小是2MHz电感的2.5倍，400kHz电路的输出电容的大小是2MHz输出电容的3倍。所以，对于非常关注尺寸大小和成本的应用，2MHz开关频率更为合适。阻碍电源设计工程师使用2MHz（开关频率）的主要问题是效率和热性能，因为在高开关频率下，开关损耗会显著增大。LT8638S使用快速开关边沿来尽可能降低开关损耗，以缓解这些问题，如图3所示。如图2所示，在开关频率为2MHz，输出功率为50W时，LT8638S的温度仅上升60°C。在10A负载下，2MHz和400kHz开关频率之间的效率差异在1.5%以内。

图3.输入为12V，负载为10A时，LT8638S的开关边沿

在高开关频率下，快速开关边沿有助于提高效率，但可能会加剧电磁辐射。LT8638S采用Silent Switcher架构，不但支持快速开关边沿，还可实现更低的EMI，且解决方案的尺寸要更小。图4显示EMI很低的2MHz LT8638S电路。为了实现出色的EMI性能，该稳压器连接SYNC/MODE引脚和INTVCC引脚，以使用展频模式。图5显示采用图4的电路时LT8638S的辐射，测试设置由CISPR 25标准定义。红线代表CISPR 25 5类限值，这是汽车行业中要求最严格的辐射规范。采用很少的几个额外组件构成输入滤波器（如图4所示），LT8638S可以满足CISPR 25 5类规范严格的峰值和平均值限值。

图4.EMI很低的LT8638S电路

图5.图4所示的电路（在10A时，12V输入转换为3.3V输出）的辐射EMI和传导EMI

使用LT8648S、电流更高的单片式电源解决方案

复杂的ADAS需要使用多个SoC，以及多个摄像头和传感器。例如，免接触式ADAS可能采用多个非常耗电的芯片，以及多达11个摄像头。LT8648S具有高于LT8638S的输出电流能力，可以安装在这些复杂的ADAS所需的中间供电轨上。LT8648S是一款单片式42V、15A降压稳压器，其输出电流和功率电平与使用外部MOSFET的功率控制器解决方案相近。通过并行使用多个LT8648S，可以进一步扩展其电流能力。

图6显示并行使用两个LT8648S器件的3.3V/25A, 2MHz电路的原理图。这两个LT8648S稳压器有共同的输入和输出。EN/UV和SS引脚连接，确保两个稳压器能按照相同的压摆率同时启动。LT8648S使用峰值电流模式控制，使得误差放大器输出VC电压与负载电流相关。通过连接VC和FB引脚，这两个并行的LT8648S无需使用外部电路，即可实现不错的电流平衡。U1 LT8648S的CLKOUT引脚连接至U2 LT8648S的SYNC/MODE引脚。连接之后，两个LT8648S稳压器实现同步，且支持180°相移。

图6.并行使用两个LT8648S的2MHz 3.3V/25A应用

图7所示图6电路的效率和温度上升情况。U1和U2的温度几乎相同，表示该并行应用实现了不错的电流均衡。高开关频率和外部补偿支持实现快速瞬态响应。图8显示图6所示的电路的负载瞬态响应。

图7.图6所示的电路的效率和温度上升情况



图8.图6所示的电路的10A至20A负载瞬态响应

结论

本文介绍两款高电流42V单片式Silent Switcher稳压器LT8638S和LT8648S。它们具有高效率和低辐射，缓解了在严苛的汽车应用环境中存在的散热和EMI问题。LT8638S和LT8648S集成MOSFET，为快速发展的汽车ADAS所需的高电流中间电源提供尺寸小巧的解决方案。

关于作者

Ying Cheng是ADI公司工业和多市场业务团队的一名应用工程师，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。她于2010年加入ADI公司，目前为非隔离式单芯片降压转换器提供应用支持。Ying Cheng在电源管理领域的关注点包括面向汽车、电信、医疗和工业应用的高效率、高功率密度和低EMI的高性能电源转换器和稳压器。她获得了上海交通大学的电机工程学士学位和硕士学位，以及密苏里科技大学（原密苏里大学罗拉分校）的电气工程博士学位。