【導讀】嚴苛的汽車和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應用需要適用于狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩(wěn)壓器。通常會選擇內(nèi)置MOSFET功率開關的單片式降壓穩(wěn)壓器,與傳統(tǒng)控制器IC和外部MOSFET相比,這種整體解決方案的尺寸相對較小。可在高頻率(遠高于AM頻段的2 MHz范圍內(nèi))下工作的單片式穩(wěn)壓器也有助于減小外部元件的尺寸。此外,如果穩(wěn)壓器的最小導通時間 (TON)較低,則無需中間穩(wěn)壓,可直接在較高的電壓軌上工作,從而節(jié)約空間并降低復雜性。減少最小導通時間需要快速開關邊沿和最小死區(qū)時間控制,以有效減少開關損耗并支持高開關頻率操作。
另一種節(jié)約空間的方式是減少所需的組件數(shù),以滿足電磁干擾(EMI)標準和散熱要求。遺憾的是,在很多情況下,簡單地縮減轉(zhuǎn)換器尺寸難以滿足這些需求。本文介紹的先進解決方案可節(jié)約空間,同時可實現(xiàn)低EMI和出色的散熱性能。
選擇開關模式電源轉(zhuǎn)換器是由于其效率高,尤其是在高降壓比下,但需要權衡開關操作產(chǎn)生的EMI因素。在降壓轉(zhuǎn)換器中,開關中的快速電流變化(高di/dt)和熱回路中寄生電感導致的開關振鈴會產(chǎn)生EMI。
EMI只是系統(tǒng)設計工程師在嘗試設計緊湊型高性能電源時必須考慮的參數(shù)之一。許多關鍵設計約束通常相互沖突,需要在設計限制和上市時間方面做出重大妥協(xié)。
提高EMI性能
要減少降壓轉(zhuǎn)換器中的EMI,必須盡量減少熱回路的輻射效應,并使源極信號最小。有多種方式可減少輻射EMI,但其中很多也會同時降低穩(wěn)壓器的性能。
例如,在典型的分立式FET降壓穩(wěn)壓器中,通過外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來降低開關邊沿的速度,以減少EMI,這也是符合汽車工業(yè)嚴格的輻射排放標準的最后一種解救方法。這樣快速解決EMI問題均以損失性能為代價;例如效率降低、組件數(shù)目增多,解決方案尺寸加大。開關邊沿速度慢則會增加開關損耗和占空比損失。轉(zhuǎn)換器必須在較低的頻率下工作(例如,400 kHz)才能獲得令人滿意的效率,并通過強制性電磁輻射EMI測試。圖1顯示了分別具有快開關邊沿和慢開關邊沿的典型開關節(jié)點電壓波形。如圖所示,開關邊沿速度明顯變慢,導致開關損耗增加,最小占空比或降壓比顯著增加,更不用說對性能產(chǎn)生的其他負面影響。
降低開關頻率也會增加轉(zhuǎn)換器電感、輸出電容和輸入電容的物理尺寸。同時,需要使用一個大尺寸π濾波器以通過傳導輻射測試。隨著開關頻率降低,濾波器中的電感L和電容C需相應增大。在低壓線路滿載條件下,電感電流額定值應大于最大輸入電流。因此,前端需要使用一個大尺寸電感和多個電容以符合嚴格的EMI標準。
例如,在400 kHz(而不是2 MHz)開關頻率下,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較大,才能達到汽車應用中的傳導EMI標準要求。其中一個原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開關基頻,還必須衰減高達1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩(wěn)壓器就沒有這個問題。圖2為2 MHz解決方案和400 kHz解決方案的尺寸對比。
屏蔽可能是減少電磁輻射的最后一種補救方式,但屏蔽需要占用空間,而應用可能無法提供,并且需要進行額外的機械設計和測試迭代。
為避開AM頻率帶寬并保持較小的解決方案尺寸,汽車應用首選2 MHz或更高的開關頻率。避免AM頻段后,就只有確保將高頻噪聲(也稱為諧波)和開關振鈴降至最低的問題。遺憾的是,高頻開關通常 會導致電磁輻射從30 MHz增加到1 GHz。
有些開關穩(wěn)壓器具有快速干凈的開關邊沿,可減少EMI,如ADI Power by Linear™系列中的Silent Switcher®器件。我們先來看看其他一些有用的功能。
圖1.慢開關邊沿意味著除了占空比損耗之外,還存在大量開關損耗。
圖2.2 MHz解決方案與400 kHz解決方案尺寸對比。
展頻(SSFM)是一項在已知范圍內(nèi)使系統(tǒng)時鐘抖動的技術,由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開關電源所選的開關頻率通常會在AM頻段之外(530 kHz至1.8 MHz),但在AM頻段內(nèi),未經(jīng)調(diào)制的開關諧波仍可能不符合嚴格的汽車EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內(nèi)及其他區(qū)域中的EMI。
圖3.展頻模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降壓轉(zhuǎn)換器,峰值電流為7 A,工作電壓5.7 V至42 V。
圖3顯示了一個超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A轉(zhuǎn)換器,其使用LT8636Silent Switcher單片式降壓穩(wěn)壓器在2 MHz開關頻率下工作。圖4顯示了測試演示電路在14 V輸入和5 V、5 A輸出時的傳導和輻射EMI性能。在前端,小電感和陶瓷電容有助于濾除傳導噪聲,而鐵氧體磁珠和陶瓷電容有助于減少輻射噪聲。兩個小陶瓷電容放在輸入和接地引腳上,將熱回路面積減至最小,同時分離熱回路,幫助消除高頻噪聲。
為改進EMI性能,電路設置為在展頻模式下工作:SYNC/MODE = INTVCC。使用三角頻率調(diào)制來調(diào)節(jié)開關頻率,調(diào)節(jié)范圍為RT設置的值到比該值約高20%,即LT8636設為2 MHz時,在3 kHz速率下,頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化。
從傳導EMI頻譜可以明顯看出,峰值諧波能量被分散開來,從而降低了任何特定頻率的峰值幅度—由于擴頻功能,噪聲至少減少了20 dBμV/m。從輻射EMI頻譜也可以明顯看出,展頻模式也可以減少輻射EMI。該電路符合嚴苛的汽車級CISPR 25 Class 5輻射EMI要求,僅需在輸入側(cè)使用簡單的EMI濾波器。
圖4.具有和沒有展頻模式的CISPR 25電磁輻射EMI。
整個負載范圍內(nèi)的高效率
汽車應用中的電子器件數(shù)量只增不減,大多數(shù)器件的每次設計迭代都需要更多的電源電流。有源負載電流如此高,重載效率和適當?shù)臒峁芾砭统蔀槭滓紤]因素,可靠的運行取決于散熱管理,不受控制產(chǎn)生熱量可能會導致代價高昂的設計問題。
系統(tǒng)設計人員也關注輕載效率,由于電池使用壽命主要取決于輕載或空載時的靜態(tài)電流,因此輕載效率和重載效率一樣重要。必須在硅芯片和系統(tǒng)級設計中權衡滿載效率、空載靜態(tài)電流和輕載效率。
為了在滿載時達到高效率,應最小化FET(特別是底部FET)的RDS(ON),這看起來很簡單。但是,具有低RDS(ON) 的晶體管的電容通常相對較高,開關和柵極驅(qū)動損耗隨之增加,也會增加裸片尺寸和成本。相反,LT8636單片式穩(wěn)壓器具有很低的MOSFET傳導電阻,在滿載條件下的效率很高。LT8636在靜止空氣中的最大輸出電流為5 A連續(xù)電流和7 A峰值電流,沒有任何額外的散熱器,從而簡化了可靠的設計。
為了提高輕載效率,在低紋波Burst Mode®(突發(fā)工作模式)下工作的穩(wěn)壓器將輸入電容充電至所需的輸出電壓,同時最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。在突發(fā)工作模式下,電流以短脈沖的形式傳遞到輸出電容,然后進入相對較長的休眠期,在此期間,大多數(shù)控制(邏輯)電路關閉。
為了提高輕載效率,可選用更大值的電感,因為在短脈沖期間可向輸出傳遞更多能量,降壓穩(wěn)壓器也可在每個脈沖之間的休眠模式下保持更長時間。通過盡可能延長脈沖之間的時間,盡量減少每個短脈沖的開關損耗,單片式降壓轉(zhuǎn)換器靜態(tài)電流可在單片式穩(wěn)壓器(如LT8636)中達到2.5 μA。而市場上的典型部件為幾十甚至幾百μA。
圖5顯示使用LT8636的汽車應用由12 V輸入提供3.8 V/5 A輸出的高效率解決方案。電路在400 kHz下運行可達到高效率,并使用XAL7050-103 10 μH電感。在低至4 mA和高至5 A的負載下,可保持90%以上的效率。峰值效率在1 A時為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(fSW = 400 kHz)。
圖6顯示該解決方案1 μA至5 A時的效率。內(nèi)部穩(wěn)壓器由5 V輸出通過BIAS引腳供電,以盡可能降低功耗。峰值效率達到95%;由13.5 V輸入提供5 V輸出的滿載效率為92%。對于5 V應用低至30 mA的負載,輕載效率保持在89%或以上。轉(zhuǎn)換器在2 MHz下運行,測試用電感為XEL6060-222,以優(yōu)化相對緊湊型解決方案中的重載和輕載效率。使用更大的電感,可將輕載效率進一步提高到90%以上。 反饋電阻分壓器中的電流以負載電流形式出現(xiàn)在輸出端時降至最低。.
圖6.使用XEL6060-222電感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解決方案的效率(fSW= 2 MHz)。
圖7顯示該解決方案在4 A恒定負載和4 A脈沖負載(共8 A脈沖負載)以及10%占空比(2.5 ms)下的熱性能 — 靜止空氣環(huán)境室溫下,13.5 V輸入。即使在40 W脈沖功率和2 MHz開關頻率下,LT8636外殼溫度都保持低于40°C,使得電路在沒有風扇或散熱器的情況下也能短時間內(nèi)以高達8 A電流安全運行。由于采用增強散熱型封裝技術,并且LT8636在高頻率下具有高效率,因此采用3 mm × 4 mm LQFN封裝可實現(xiàn)這一目標。
圖7.3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定負載加4 A脈沖負載(10%占空比)下的熱圖顯示溫度上升。
通過高頻操作縮小解決方案尺寸
汽車應用中的空間越來越寶貴,因此必須縮小電源尺寸以便置入電路板中。提高電源開關頻率可使用電容和電感等較小的外部組件。此外,如前所述,在汽車應用中,高于2 MHz(或低于400 kHz)的開關頻率可將基頻保持在AM無線電頻段之外。我們來比較一下常用的400 kHz設計和2 MHz設計。在這種情況下,增加五倍開關頻率達到2 MHz會將所需電感和輸出電容減少到400 kHz設計的五分之一。似乎很容易。然而,由于使用高頻解決方案本身就需要進行一些權衡考量,因此即使支持高頻的IC也可能無法在許多應用中使用。
例如,在高降壓比應用中的高頻操作需要較低的最小導通時間。根據(jù)方程VOUT = TON × fSW × VIN,在2 MHz操作頻率下,需要約50 ns的最小開關導通時間(TON)才能通過24 V輸入電壓產(chǎn)生3.3 V輸出電壓。如果電源IC無法實現(xiàn)此低導通時間,則必須跳過脈沖以保持低穩(wěn)壓輸出 — 實質(zhì)上無法達到高開關頻率的目的。換言之,等效開關頻率(由于脈沖跳躍)可能在AM頻段。由于最小開關導通時間為30 ns,LT8636允許在2 MHz下直接從高VIN轉(zhuǎn)換為低VIN to low VOUT 。與之相比,許多器件限制為最小>75 ns,這就需要它們在低頻率(400 kHz)下操作,從而實現(xiàn)更高的降壓比以避免跳躍脈沖。
高開關頻率的另一個常見問題是開關損耗趨于增加。與開關相關的損耗包括開關導通損耗、關斷損耗和柵極驅(qū)動損耗 — 都與開關頻率近似線性相關。縮短開關導通和關斷時間可改善這些損耗特性。LT8636開關導通和關斷時間很短,不到5 V/ns,可實現(xiàn)最小死區(qū)時間和最小二極管時間,從而降低了高頻下的開關損耗。.
本解決方案中使用的LT8636采用3 mm × 4 mm QFN封裝以及具有集成電源開關的單片式結構,同時提供所有必需的電路功能,共同構成PCB占用空間最小的解決方案。IC下方的大面積裸露接地焊盤通過極低的熱阻(26°C/W)路徑將熱量引導到PCB,從而減少了額外的熱管理需求。此封裝采用FMEA兼容設計。Silent Switcher技術減少了熱回路的PCB面積,因此使用簡單的濾波器即可輕松解決這種高開關頻率下的輻射EMI問題,如圖3所示。
結論
只要精心選擇IC,無需反復權衡考量,就可以生產(chǎn)出適合汽車應用的緊湊型高性能電源。就是說,可以同時實現(xiàn)高效率、高開關頻率和低EMI。為了舉證說明可實現(xiàn)的緊湊型設計,本文中的解決方案選擇使用LT8636,這是一款采用3 mm × 4 mm LQFN封裝的42 V、5 A連續(xù)/7 A峰值單片式降壓Silent Switcher穩(wěn)壓器。在此IC中,VIN引腳分離并對稱放置在IC上,從而分離了高頻熱回路,使磁場相互抵消,以抑制電磁輻射EMI。此外,同步設計和快速開關邊沿可提高重載效率,而低紋波突發(fā)工作模式對輕載效率有利。
LT8636的3.4 V到42 V輸入范圍和低壓差也適用于汽車應用,使其能夠在汽車啟動或負載突降情況下工作。在汽車應用中,系統(tǒng)設計人員在嘗試縮小電源解決方案尺寸時往往會面對很多權衡考量,但采用本文中的設計,設計人員無需權衡即可實現(xiàn)所有性能目標。
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