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DC-DC 开关稳压器在汽车和工业设计中的归零

关键词:DC-DC 开关稳压器 汽车行业

时间:2023-04-23 10:22:02      来源:网络

对于汽车和工业工程师来说,DC-DC 开关稳压器对其系统设计的重要性非常高。在汽车领域(图 1),它们被用于从车辆导航到车头灯的方方面面。在工业产品中,这些设备可以在机器人、机械和 PLC(可编程逻辑控制器)中找到。

对于汽车和工业工程师来说,DC-DC 开关稳压器对其系统设计的重要性非常高。在汽车领域(图 1),它们被用于从车辆导航到车头灯的方方面面。在工业产品中,这些设备可以在机器人、机械和 PLC(可编程逻辑控制器)中找到。

在当今快速发展的电子世界中,这两种应用都在不断发展。为了跟上步伐,适用于它们的 DC-DC 开关稳压器技术也必须发展。


图 1.从汽车中的信息娱乐系统到制造业中的装配机器人,DC-DC 开关稳压器是不可或缺的。图片由 Pixabay 提供

为开发产品,工程师需要获得随其支持的产品而不断发展的开关稳压器解决方案。在本文中,我们将介绍这些解决方案对于这两种应用程序的外观。

用于汽车行业的 DC-DC 开关稳压器

首先,让我们深入了解汽车应用中 DC-DC 开关稳压器的不同要求。其中包括可靠性、小型化、热调节、电磁干扰 (EMI) 和开发支持。

可靠性 

可靠性在汽车设计中始终至关重要。DC-DC 转换器必须在电压波动期间保持一致、稳定的运行,如图 2 所示。工程师可以在其设计中包含的一个特定规范是 DC-DC 转换器,它具有小的过冲,可以更有效地保护组件免受损坏突然的电池电压波动,例如市场上的解决方案的过冲是行业标准的 1/10——例如 600 mV 与 50 mV 相比。


图 2.如何设计汽车转换器以支持高可靠性的示例。图片由ROHM提供

小型化 

小型化是一个关键特性,它不仅意味着减少物理足迹,还意味着在单个芯片上提供更多功能以及更短的 BOM(物料清单)。例如,DC-DC 开关稳压器已经可用,它提供单级降压调节,无需次级 DC-DC 转换器。

效率 

效率仍将是传统动力汽车和电动汽车 (EV) 的 DC-DC 稳压器的主要关注点,尤其是在汽车市场转向可持续能源的情况下。例如,用于汽车行业的传统初级 DC-DC 开关稳压器旨在实现 2.2 mA 的静态电流,而一些解决方案已经实现了 25 μA 的静态电流消耗,并且在未来可能达到 4 μA。

工程师们还将寻找能够向他们承诺提供可靠、稳定的稳压器和任何支持硬件的组件制造商。

热调节 

由于各种原因,包括发热会缩短 DC-DC 开关稳压器的寿命,更好的热调节在汽车行业中仍然很重要。使解决这个问题更具挑战性的是车辆的小型化和恶劣的操作环境。

为了更好地解决热问题,工程师们将寻找能够消除笨重、昂贵的散热器并为工程师提供易于使用、有效的热模拟器以用于其设计的解决方案。缓解发热问题的方法包括化 PCB 上用于封装的铜面积,以及在 PCB 上定位组件以促进散热。

产品线选择 

不断发展的产品阵容在未来也将至关重要。随着技术进步和 ADAS(驾驶辅助系统)和自动驾驶技术的不断发展,汽车应用的设计规范和约束将变得更加严格。 

自动化程度更高的车辆的广泛采用必然会导致安全性和功能性问题的增加。同时,对可持续能源的日益关注将导致能源效率要求更高。工程师将需要不断更新满足新设计规范、约束和汽车标准的 DC-DC 开关稳压器产品线。

电磁干扰

EMI 已经成为汽车电子产品的主要问题,包括 DC-DC 开关稳压器。干扰会导致电子设备以意想不到的方式运行,不仅可能对车辆上的人而且对周围的人造成危险。 

由于以下三个原因,干扰问题变得更具挑战性:

1.使用的稳压器数量增加
2.小型化需求
3.更高的开关频率。

考虑到所有这些,设计必须证明符合 CISPR 25 Class 5,工程师需要支持和协助才能做到这一点。这些是根据组件的用途而变化的复杂要求,并且产品需要大量的测试和文档来证明产品确实合规。

开发支持 

随着设计规范和稳压器技术的不断变化,支持工程师开发电源解决方案也很重要。例如,下面图 3 中显示的参考板涵盖了信息娱乐和 ADAS,并且已经过电气特性、热性能和电磁兼容性 (EMC) 测试。

诸如此类的参考和评估板可帮助工程师熟悉特定 DC-DC 开关稳压器解决方案的配置和实施要求,以及如何测试和评估关键规格。


图 3。使用 ROHM BD9P 系列作为初级电源和 BD9S 系列作为次级电源的参考设计。图片由ROHM提供

随着汽车行业继续朝着更智能、更自动化的车辆发展,ADAS 非常重要。同时,信息娱乐结合了信息和娱乐,这是终用户期望在新型车辆中看到的。这两者都可作为评估板的出色测试应用,使工程师能够确定初级和次级开关稳压器的可行性和性能。

满足工业应用的要求

与汽车一样,在工业系统设计领域,DC-DC 开关稳压器发挥着重要作用。事实上,效率和小型化等问题同样重要,但背景不同。同时,在涉及 DC-DC 开关稳压器时,EMC 和热设计是工业设计中的关键问题。

高效率 

提高效率仍将是工业应用的重中之重。然而,与汽车用途不同,工业应用越来越依赖于充电需要运行更长时间的可充电电池。例如,DC-DC 开关稳压器通常用于为 BMS(电池管理系统)供电并从电池单元接收直流电流。 

高效稳压器可降低运营成本,这对于自动化的未来尤其如此,如图 4 所示。为实现高效率,工程师应寻找静态电流为 20μA 且效率介于 80 之间的稳压器% 和 85%。

小型化

小型化也是关键,它会影响自动化产品的整体尺寸,例如无人机和机器人,它们的尺寸会限制它们的使用范围。工程师们将尽可能寻找紧凑、轻便的解决方案。

此外,小型化减轻了重量,支持更高效的性能和单次电池充电后运行时间更长。另一方面,小型化会导致产生过多热量和效率的潜在问题。 


图 4.工业和仓库汽车的未来将在很大程度上取决于可充电的轻量化设计。图片由Shutterstock提供

改进的热性能 

同样,正如汽车行业所见,DC-DC 开关稳压器必须具有更好的热设计。如图 5 所示,发热和散热始终是 DC-DC 开关稳压器的一个问题,因为热量和高温会影响电气元件的性能并缩短其使用寿命。 

工程师们知道,更好的热设计不仅意味着散热,还需要通过选择具有芯片封装设计的稳压器来消除笨重、昂贵的散热器,限度地减少热量产生,同时优化稳压器实施的 PCB 布局。请记住,笨重的散热器会增加稳压器的尺寸和重量,因此更好的热设计也是进一步小型化的关键。 


图 5. DC-DC 开关稳压器设计和实施的变化会显着影响其热性能。图片由ROHM提供

负责开发工业产品的工程师将寻找稳压器的稳定。这与电子元件的有关:制造商需要通过披露他们遵循的采购指南来证明他们能够可靠地获得用于制造芯片的原材料。

电磁兼容性能 

随着电磁干扰在工业环境中越来越普遍,EMC 标准变得越来越严格,因此必须增强 EMC 性能。这在一定程度上是由于电子产品的使用增加以及大量数据的无线传输,这是转向数字制造、工业 4.0 和 IIoT(工业物联网)的标志。因此,工程师将需要符合国际 EMC/EMI 标准并提供有效滤波选项的 DC-DC 开关稳压器。

未来,工业产品开发团队将寻找 DC-DC 开关稳压器的,这些稳压器提供灵活的制造方法,制造商必须设置以快速响应不断变化的工业要求,例如芯片设计或修改后的 EMC/EMI 标准. 这可以包括从使用的原材料类型到终芯片封装的所有内容。

对于热和 EMC 等设计方面,必须为工程师提供更好的仿真工具。事实上,能够提供仿真工具和建议以满足设计规范和 EMC 合规性的制造商将至关重要。提供这项服务将缩短上市时间,让设计团队腾出时间专注于更关键的设计部分。

ROHM DC-DC 开关稳压器解决方案

根据本文讨论的趋势,ROHM 一直在分析未来的 DC-DC 开关稳压器应该和将会是什么样子,并满足当今的这些需求。这包括效率、小型化、热设计、EMC 性能、仿真工具、柔性制造和稳压器的稳定。 

对于汽车应用,ROHM 正在扩展 ROHM BD9P(初级)和BD9S(次级稳压器)系列中可用的 DC-DC 开关稳压器。这些高效开关稳压器包括 ROHM 专有的纳米脉冲控制,支持超快速脉冲控制、性能稳定和小型化。它们还包括 ROHM 的 QuiCurr(快速电流)技术,可实现高速负载响应。

ROHM 还增强了其用于工业应用的 DC-DC 开关稳压器。这包括改进ROHM BD9x系列中可用的 60 V、48 V 和 24 V 电源轨的阵容,BD9S 系列是其中的一个子集。对于工业应用,BD9x 系列包括:

• 3.3 V / 5 V 输入降压转换器
• 12 V 输入降压转换器
• 24 V 输入降压转换器
• 宽输入电压 24 V / 48 V / 60 V 降压转换器
• 56 V(值)输入降压控制器
• 隔离式反激式转换器

所有 ROHM 开关稳压器均符合适用的 EMC/EMI 标准,并且 ROHM 提供支持以验证特定实施是否符合特定应用标准。

此外,ROHM 解决方案模拟器在整个设计和测试阶段为工程师提供支持,以及设计数据、PCB 库和 SPICE 电路设计和热仿真的仿真,以优化散热。

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