如何为车辆ADAS设计更好的高电流开关电源
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
开关频率 400 khz 2 mhz
l1 3.3µh (10mm × 11.3mm × 10mm) 0.56μh (6.36mm × 6.56mm × 6.1mm)
cout 47µf × 3 47µf × 1
rt 105kω 16.9kω
rc 9.31kω 13.7kω
cc 820pf 220pf
cpl 33pf 10pf
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。
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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
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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
开关频率 400 khz 2 mhz
l1 3.3µh (10mm × 11.3mm × 10mm) 0.56μh (6.36mm × 6.56mm × 6.1mm)
cout 47µf × 3 47µf × 1
rt 105kω 16.9kω
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图2.图1所示的电路的效率和温度上升情况
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图3.输入为12v，负载为10a时，lt8638s的开关边沿
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图4.emi很低的lt8638s电路
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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
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