直接從汽車電池輸入進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換

介紹

惡劣的汽車和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應(yīng)用需要適合狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩(wěn)壓器。單片式降壓穩(wěn)壓器（包括封裝中的 MOSFET 功率開關(guān)）通常被選中，因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)控制器 IC 和外部 MOSFET，它們的整體解決方案尺寸較小。單片穩(wěn)壓器可在遠(yuǎn)高于AM頻段的2 MHz范圍內(nèi)以高頻工作，也有助于減小外部元件的尺寸。此外，如果穩(wěn)壓器提供較低的最小導(dǎo)通時(shí)間（T上），穩(wěn)壓器可以直接在更高的電壓軌上工作，無(wú)需中間調(diào)節(jié)，從而節(jié)省了空間和復(fù)雜性。低最小導(dǎo)通時(shí)間需要快速開關(guān)邊沿和最小死區(qū)時(shí)間控制，以有效降低開關(guān)損耗并允許高開關(guān)頻率操作。

節(jié)省空間的另一種方法是減少滿足電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)和熱要求所需的組件數(shù)量。不幸的是，在許多情況下，簡(jiǎn)單地縮小轉(zhuǎn)換器會(huì)使?jié)M足這些要求變得更加困難。本文介紹了最先進(jìn)的解決方案，這些解決方案可節(jié)省空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低EMI和出色的熱性能。

選擇開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器是由于其效率，特別是在高降壓比下，但一個(gè)權(quán)衡是開關(guān)動(dòng)作引起的EMI。在降壓轉(zhuǎn)換器中，EMI由開關(guān)中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中的寄生電感引起的開關(guān)振鈴引起。

EMI只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在嘗試設(shè)計(jì)緊湊、高性能電源時(shí)必須努力解決的參數(shù)之一。許多關(guān)鍵設(shè)計(jì)約束經(jīng)常不一致，需要在設(shè)計(jì)限制和上市時(shí)間內(nèi)做出關(guān)鍵妥協(xié)。

提高電磁干擾性能

為了降低降壓轉(zhuǎn)換器的EMI，必須盡可能降低熱回路的輻射效應(yīng)，并盡量減少來(lái)自源頭的信號(hào)。有許多方法可以降低輻射EMI，但許多方法也會(huì)降低穩(wěn)壓器的性能。

例如，在典型的分立式FET降壓穩(wěn)壓器中，使用外部柵極電阻器、BOOST電阻器或緩沖器來(lái)減慢開關(guān)邊沿，作為滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的最后一種救援方法。這種對(duì)EMI的快速修復(fù)是以性能為代價(jià)的;即更低的效率、更多的元件數(shù)量和更大的解決方案尺寸。緩慢的開關(guān)邊沿會(huì)增加開關(guān)損耗和占空比損耗。轉(zhuǎn)換器必須以較低的頻率（例如400 kHz）工作，以實(shí)現(xiàn)令人滿意的效率并通過(guò)強(qiáng)制性輻射EMI發(fā)射測(cè)試。圖1分別顯示了具有快速開關(guān)邊沿和慢速開關(guān)邊沿的典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。如圖所示，開關(guān)邊沿明顯變慢，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，最小占空比或降壓比顯著增加，更不用說(shuō)對(duì)性能的其他負(fù)面影響了。

降低開關(guān)頻率也會(huì)增加轉(zhuǎn)換器電感、輸出電容和輸入電容的物理尺寸。同時(shí)，需要笨重的π濾波器才能通過(guò)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。濾波器中的電感L和電容C隨著開關(guān)頻率的降低而變大。電感電流額定值應(yīng)大于低線路滿載時(shí)的最大輸入電流。因此，前端需要一個(gè)笨重的電感器和多個(gè)電容器，以幫助通過(guò)嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

例如，在400 kHz開關(guān)頻率（而不是2 MHz）下，除了增加電感和電容的尺寸外，EMI濾波器中的電感和電容也必須相對(duì)較大，以通過(guò)汽車應(yīng)用所需的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。其中一個(gè)原因是，它們不僅必須衰減400 kHz的開關(guān)基頻，而且還必須衰減高達(dá)1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩(wěn)壓器不存在此問(wèn)題。圖2顯示了2 MHz解決方案與400 kHz解決方案的尺寸。

屏蔽可能是減少輻射發(fā)射的最后補(bǔ)救措施，但屏蔽占用的空間在應(yīng)用中可能不可用，并且需要額外的機(jī)械設(shè)計(jì)和測(cè)試迭代。

為了避免AM頻率帶寬并保持較小的解決方案尺寸，汽車應(yīng)用中首選2 MHz或更高的開關(guān)頻率。避免使用AM頻段后，只需確保將高頻噪聲（也稱為諧波）和開關(guān)振鈴也降至最低。不幸的是，高頻開關(guān)通常會(huì)導(dǎo)致從30 MHz到1 GHz的輻射發(fā)射增加。

有些開關(guān)穩(wěn)壓器具有快速、干凈的開關(guān)邊沿，可降低EMI，例如ADI線性電源中的靜音開關(guān)器件?唰唰??線。不過(guò)，首先，讓我們看一下其他一些可以提供幫助的功能。

圖1.慢開關(guān)邊沿意味著除占空比損耗外，還有顯著的開關(guān)損耗。

圖2.2 MHz 解決方案與 400 kHz 解決方案的尺寸比較。

擴(kuò)頻調(diào)頻（SSFM）是一種在已知范圍內(nèi)使系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)的技術(shù)，從而在頻域上分配EMI能量。雖然開關(guān)頻率通常選擇在AM頻段（530 kHz至1.8 MHz）之外，但未增強(qiáng)的開關(guān)諧波仍可能違反AM頻段內(nèi)嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加 SSFM 可顯著降低 AM 頻段和其他區(qū)域內(nèi)的 EMI。

圖3.超低EMI LT8636 5 V/5 A降壓轉(zhuǎn)換器，擴(kuò)頻模式，7 A峰值工作電壓范圍為5.7 V至42 V。

圖3顯示了一個(gè)超低EMI和高效率12 V至5 V/5 A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用LT8636靜音開關(guān)穩(wěn)壓器單芯片降壓穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率為2 MHz。圖4顯示了經(jīng)過(guò)測(cè)試的演示電路在14 V輸入和5 A輸出（5 V）下的傳導(dǎo)和輻射EMI性能。在前端，小電感器和陶瓷電容有助于濾除傳導(dǎo)噪聲，而鐵氧體磁珠和陶瓷電容器有助于降低輻射噪聲。輸入和接地引腳上放置了兩個(gè)小陶瓷電容，以最小化熱回路的面積，同時(shí)還分離熱回路，這有助于抵消高頻噪聲。

為了改善EMI性能，電路設(shè)置為在擴(kuò)頻模式下工作：同步/模式= INTV抄送。三角頻率調(diào)制用于改變由R編程的值之間的開關(guān)頻率T比該值高約20%，也就是說(shuō)，當(dāng)LT8636編程為2 MHz時(shí)，頻率將在2 MHz至2.4 MHz范圍內(nèi)以3 kHz速率變化。

從傳導(dǎo)EMI頻譜中可以明顯看出，峰值諧波能量被分散開來(lái)，降低了任何特定頻率下的峰值幅度——由于擴(kuò)頻功能，噪聲至少降低了20 dBμV/m。從輻射EMI頻譜來(lái)看，擴(kuò)頻模式也明顯降低了輻射EMI。該電路符合嚴(yán)格的汽車CISPR 25 5類輻射EMI規(guī)范，輸入側(cè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的EMI濾波器。

圖4.CISPR 25 輻射 EMI 發(fā)射，帶和不帶擴(kuò)頻模式。

在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率

汽車應(yīng)用中的電子設(shè)備數(shù)量只會(huì)不斷增加，大多數(shù)器件每次設(shè)計(jì)迭代都需要更大的電源電流。由于有功負(fù)載電流如此之高，重負(fù)載效率和適當(dāng)?shù)臒峁芾硎侵刂兄亍€(wěn)健運(yùn)行取決于熱管理，無(wú)法緩解的熱量產(chǎn)生可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還關(guān)注輕負(fù)載效率，這可以說(shuō)與重負(fù)載效率同樣重要，因?yàn)殡姵貕勖饕Q于輕負(fù)載或空載時(shí)的靜態(tài)電流。芯片和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)必須在滿載效率、無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流和輕負(fù)載效率之間進(jìn)行權(quán)衡。

為了在滿載時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率，RDS（ON）的 FET，尤其是底部 FET，應(yīng)最小化。然而，具有低R的晶體管DS（ON）通常具有相對(duì)較高的電容，開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗隨之增加，以及更大的芯片尺寸和成本。相比之下，LT8636 單片式穩(wěn)壓器具有非常低的 MOSFET 導(dǎo)通電阻，從而在滿負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了出色的效率。LT8636的最大輸出電流為5 A連續(xù)電流和7 A靜止空氣中峰值電流，無(wú)需任何額外的散熱器，從而簡(jiǎn)化了穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。

為了提高輕負(fù)載效率，在低紋波突發(fā)模式下工作的穩(wěn)壓器可使輸出電容充電至所需輸出電壓，同時(shí)最大限度地減小輸入靜態(tài)電流，同時(shí)最大限度地減小輸出電壓紋波。在突發(fā)模式操作中，電流以短脈沖輸送到輸出電容，然后是相對(duì)較長(zhǎng)的休眠期，其中大多數(shù)控制（邏輯）電路關(guān)斷。?

為了實(shí)現(xiàn)更高的輕負(fù)載效率，首選更大值的電感器，因?yàn)樵诙堂}沖期間可以向輸出輸送更多能量，并且降壓穩(wěn)壓器在每個(gè)脈沖之間的睡眠模式下可以保持更長(zhǎng)的時(shí)間。通過(guò)最大限度地延長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)間并最小化每個(gè)短脈沖的開關(guān)損耗，單芯片降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流可在單芯片穩(wěn)壓器（如LT8636）中接近2.5 μA。該數(shù)字與市場(chǎng)上數(shù)十μA或數(shù)百μA的典型器件進(jìn)行比較。

圖5顯示了采用LT8636的汽車應(yīng)用從12 V輸入提供3.8 V/5 A輸出的高效解決方案。該電路以 400 kHz 的頻率運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)非常高的效率，并使用 XAL7050-103 10 μH 電感器。它在負(fù)載輕至 4 mA 和高至 5 A 時(shí)保持 90% 以上的效率。1 A 時(shí)的峰值效率為 96%。

圖5.采用 XAL7050-103 電感的 12 V 至 3.8 V/5 A 解決方案的效率 （f西 南部= 400 kHz）。

圖6顯示了該解決方案的μA至5 A效率。內(nèi)部穩(wěn)壓器通過(guò)BIAS引腳從5 V輸出供電，以最大限度地降低功耗。峰值效率達(dá)到95%;13.5 V輸入的5 V輸出的滿載效率為92%。對(duì)于5 V應(yīng)用，對(duì)于低至30 mA的負(fù)載，輕負(fù)載效率保持在89%或更高。該轉(zhuǎn)換器的工作頻率為2 MHz，用于測(cè)試的電感器是XEL6060-222，以在相對(duì)緊湊的解決方案中優(yōu)化重負(fù)載和輕負(fù)載的效率。通過(guò)使用更大的電感器，輕負(fù)載效率可以進(jìn)一步提高到90%以上。反饋電阻分壓器中的電流最小化，因?yàn)樗谳敵龆孙@示為負(fù)載電流。

圖6.LT8636在使用XEL6060-222電感器的13.5 V至5 V和3.3 V解決方案中的效率（f西 南部= 2 兆赫）。

圖7顯示了該解決方案在4 A恒定負(fù)載和4 A脈沖負(fù)載（脈沖時(shí)總計(jì)8 A）下的熱性能，占空比為10%（2.5 ms），輸入電壓為13.5 V，環(huán)境室溫下仍有空氣。即使在40 W脈沖功率和2 MHz開關(guān)頻率下，LT8636外殼溫度仍保持在40°C以下，使電路能夠在短時(shí)間內(nèi)安全運(yùn)行至8 A，無(wú)需風(fēng)扇或散熱器。這可以通過(guò)3 mm×4 mm LQFN封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴捎昧嗽鰪?qiáng)的熱封裝技術(shù)和LT8636在高頻下的高效率。

圖7.3 mm×4 mm LT8636，采用13.5 V至5 V/4 A恒定負(fù)載和4 A脈沖負(fù)載（10%占空比）熱圖像，顯示溫升。

通過(guò)高頻操作縮小解決方案尺寸

在汽車應(yīng)用中，空間越來(lái)越重要，因此需要縮小電源尺寸以適應(yīng)昂貴的電路板尺寸。提高電源的開關(guān)頻率允許使用更小的外部元件，如電容器和電感器。此外，如前所述，在汽車應(yīng)用中，高于2 MHz（或低于400 kHz）的開關(guān)頻率使基波遠(yuǎn)離AM無(wú)線電頻段。讓我們將常用的 400 kHz 設(shè)計(jì)與 2 MHz 設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。在這種情況下，將開關(guān)頻率提高五倍至2 MHz可將所需的電感和輸出電容降低到400 kHz設(shè)計(jì)的五分之一。似乎很容易。然而，即使是具有高頻能力的IC，也可能無(wú)法在許多應(yīng)用中使用，因?yàn)槭褂酶哳l解決方案時(shí)需要權(quán)衡取舍。

例如，高降壓比應(yīng)用中的高頻操作需要較低的最小導(dǎo)通時(shí)間。根據(jù)公式 V外= T上× f西 南部× V在，在 2 MHz 工作頻率下，頂部開關(guān) （T上） 大約需要 50 ns 才能從 24 V 輸入產(chǎn)生 3.3 V。如果功率IC無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此低的導(dǎo)通時(shí)間，則必須跳過(guò)脈沖以保持低穩(wěn)壓輸出，這基本上違背了高開關(guān)頻率的目的。也就是說(shuō)，等效開關(guān)頻率（由于脈沖跳躍）可能在AM頻段。LT8636 的最小頂部開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為 30 ns，可實(shí)現(xiàn)直接高電壓在至低 V外2 MHz 時(shí)的轉(zhuǎn)換。相比之下，許多器件的最小》75 ns，要求它們以400 kHz的低頻工作，以獲得更高的降壓比，以避免跳脈沖。

高開關(guān)頻率的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是開關(guān)損耗往往會(huì)增加。開關(guān)相關(guān)損耗包括開關(guān)導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗，所有這些都大致線性地取決于開關(guān)頻率。然而，這些損耗可以通過(guò)更快的開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)改善。LT8636開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間非常短，小于5 V/ns，從而具有最短的死區(qū)時(shí)間和最短的二極管時(shí)間，從而降低了高頻下的開關(guān)損耗。

此處解決方案中使用的LT8636采用3 mm×4 mm LQFN封裝，采用集成電源開關(guān)的單片結(jié)構(gòu)，并包含所有必要的電路，從而產(chǎn)生具有最小PCB占位面積的解決方案。IC下方的大面積裸露接地焊盤通過(guò)極低的熱阻（26°C/W）路徑將熱量引導(dǎo)至PCB，從而減少了對(duì)額外熱管理的需求。該軟件包專為 FMEA 兼容性而設(shè)計(jì)。靜音開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)減少了熱回路的PCB面積，因此使用簡(jiǎn)單的濾波器可以輕松解決具有如此高開關(guān)頻率的輻射EMI，如圖3所示。

結(jié)論

通過(guò)仔細(xì)選擇IC，可以為汽車應(yīng)用生產(chǎn)緊湊的高性能電源，而無(wú)需通常的權(quán)衡取舍。也就是說(shuō)，高效率、高開關(guān)頻率和低EMI都可以實(shí)現(xiàn)。為了舉例說(shuō)明可以實(shí)現(xiàn)的緊湊型設(shè)計(jì)類型，本文所示的解決方案使用LT8636，這是一款42 V、5 A連續(xù)/7 A峰值單芯片降壓靜音開關(guān)穩(wěn)壓器，采用3 mm×4 mm LQFN封裝。在該 IC 中，V在引腳被分離并對(duì)稱地放置在IC上，分離高頻熱回路，相互抵消磁場(chǎng)以抑制EMI輻射發(fā)射。此外，同步設(shè)計(jì)和快速開關(guān)邊沿可提高重負(fù)載下的效率，而輕負(fù)載效率則受益于低紋波突發(fā)模式操作。

LT8636還適合具有3.4 V至42 V輸入范圍和低壓差的汽車應(yīng)用，使其能夠在汽車曲柄或拋負(fù)載場(chǎng)景中工作。在汽車應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于在嘗試縮小電源解決方案尺寸時(shí)面臨許多權(quán)衡，但通過(guò)此處所示的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員無(wú)需權(quán)衡即可實(shí)現(xiàn)所有性能目標(biāo)。

審核編輯：郭婷