如何为车载ADAS设计更好的大电流开关电源

所有汽车制造商都在加强其adas，以协助驾驶员驾驶和停车。不断发展的 adas 消耗的功率比其前身多。因此，低电流开关稳压器无法再满足这种不断增长的功率要求。本文建议采用两种高电流单片式静音开关稳压器lt8638s和lt8648s作为可能的解决方案。介绍了两种稳压器的应用电路。效率、温度和辐射测试结果表明，lt8638s和lt8648s是快速发展的adas的理想电源候选者。®
介绍
高级驾驶辅助系统（adas）在当今的汽车中越来越突出。它们通过最大限度地减少人为错误来提高驾驶员和道路的安全性。早期的adas只包括一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。现在，更多的adas功能被添加到汽车中，例如自动紧急泊车，盲人运动监控，车辆/行人警告和避让，车道偏离警告和辅助等。adas的发展意味着这些新车需要消耗比以往更多的电力，因为传感器和摄像头的数量增加，强大的实时数据处理和计算以及超高速通信。例如，第一代adas片上系统（soc），如2008年的mobileeye eyeq，仅消耗2 w至~3 w.新发布的adas soc，如nvidia xavier™，由于其强大的数据处理和计算能力，消耗20 w至~30 w或更多。adas的电源来自12 v电池。它首先转换为5 v或3.3 v中间电源轨，然后转换为soc内核、接口、外设等所需的不同低电压。由于adas soc的功耗增加，中间轨转换器应该能够输出 10 a 或更高以满足该要求。®
设计高电流中间电源的传统解决方案是使用降压控制器。然而，由于需要外部mosfet，该方法的总解决方案尺寸很大。因此，将控制器电源解决方案安装到密闭空间中具有挑战性，这是汽车中adas应用的常见情况。车辆开关电源的另一个问题是电磁辐射。电源设计人员需要应对严格的辐射和传导电磁辐射限制带来的挑战，这是汽车行业的强制性要求。随着功耗的增加，这些电磁辐射标准变得更加难以满足。为了满足功率、尺寸和电磁辐射的限制，adi公司开发了两款42 v高电流单芯片静音开关稳压器：lt8638s和lt8648s。
采用lt8638s的紧凑型10 a/12 a峰值电源解决方案
lt8638s是一款42 v、10 a、单通道降压稳压器，包括采用4 mm×5 mm lqfn封装的所有控制电路和mosfet。其输出电流可以短时间可达 12 a。lt8638s是紧凑型10 a中间电源轨的理想之选。图1显示了典型的5 v/10 a lt8638s原理图。lt8638s稳压器的开关频率可在200 khz至3 mhz范围内调节。表1列出了400 khz lt8638s电路和2 mhz lt8638s电路的主要元件。图2显示了演示板上lt8638s在dc2929a上的效率和温升，分别为400 khz和2 mhz。
图1.采用lt8638s的5 v/10 a电源。
图2.图1电路的效率和温升
开关频率 400千赫 2兆赫
l1 3.3 μh（10 毫米×
11.3 毫米× 10 毫米） 0.56 μh（6.36 毫米×
6.56 毫米× 6.1 毫米
c外 47 μf × 3 47 μf × 1
rt的 105 kω 16.9 千分电阻
钢筋混凝土 9.31 千兆安 13.7 千分电阻
抄送 820 点力 220 pf
c.pl 33 点力 10 点力
将lt8638s 400 khz电路与lt8638s 2 mhz电路进行比较，400 khz的电感占位面积是2 mhz电感的2.5倍，输出电容对于 400 khz 是 2 mhz 输出电容的 3 倍。因此，对于尺寸和成本敏感的应用，首选2 mhz开关频率。阻碍电源设计工程师使用2 mhz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加。lt8638s通过以下方式平息了这些问题通过快速开关边沿最大限度地降低开关损耗，如图3所示。在图 2 中，lt8638s 的温升仅为 60°c，输出功率为 50 w。 2 mhz 开关频率。在10 a负载下，2 mhz和400 khz之间的效率差在1.5%以内。
图3.lt8638s开关边沿为12 v输入和10 a负载。
快速开关边沿有利于高开关频率下的效率，但可能会加重电磁辐射。lt8638s 配备静音开关电源架构，使其能够以更小的解决方案尺寸同时具有快速开关边沿和显著低的 emi。图 4 显示了一个超低 emi 2 mhz lt8638s 电路。为实现最佳 emi 性能，稳压器通过连接 sync/mode 引脚在扩频模式下工作与英视抄送针。图5显示了图4电路的lt8638s辐射，测试设置在cispr 25标准中定义。红线代表cispr 25 5类限值，这是汽车行业最严格的排放规范。如图4所示，只需极少的附加元件即可产生输入滤波器，lt8638s能够满足cispr 25 class 5的严格峰值和平均限值。
图4.超低emi lt8638s电路。
图5.图4电路的辐射emi和传导emi（10 a时为12 v输入至3.3 v输出）。
采用lt8648s的高电流单片式电源解决方案
复杂的adas需要多个soc，以及多个摄像头和传感器。例如，免提adas可能包括多个耗电芯片和多达 11 个摄像头。lt8648s 具有比 lt8638s 更高的输出电流能力。它适合那些复杂的adas所需的中间电源轨。作为单芯片42 v、15 a降压稳压器，lt8648s的输出电流和功率电平接近使用外部mosfet的功率控制器解决方案。通过将多个lt8648s并联在一起，可以进一步扩展其电流能力。
图6显示了使用两个lt8648s器件并联的3.3 v/25 a、2 mhz原理图。两个 lt8648s 稳压器具有公共输入和输出。en/uv 和 ss 引脚连接，以确保两个稳压器以相同的压摆率同时启动。lt8648s采用峰值电流模式控制，使误差放大器输出vc电压与负载电流相关。通过连接 vc和fb引脚，两个并联的lt8648s可以实现良好的电流平衡，而无需额外的电路。u1 lt8648s 的 clkout 引脚连接到 u2 lt8648s 的同步/模式引脚。通过这种连接，两个lt8648s稳压器以180°相移同步。
图6.2 mhz 3.3 v/25 a应用，采用两个并联的lt8648s。
图7显示了图6电路的效率和温升。u1 和 u2 具有几乎相同的温度，这表明在此并行应用程序。高开关频率和外部补偿可实现快速瞬态响应。图8显示了图6所示电路的负载瞬态响应。
图7.电路的效率和温升如图6所示。
图8.10 a至20 a负载瞬态响应，电路如图6所示。
结论
本文介绍两款高电流42 v单芯片静音开关稳压器lt8638s和lt8648s。它们的高效率和超低辐射缓解了恶劣汽车应用环境下的热和emi问题。凭借集成的mosfet，lt8638s和lt8648s为快速扩展的汽车adas所需的高电流中间电源提供了小尺寸的解决方案。