【導(dǎo)讀】選擇汽車電源集成電路時(shí),常常忽視的不是數(shù)據(jù)表上的規(guī)格,而是元器件在最終設(shè)計(jì)中的工作方式。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)表中涵蓋了集成電路的性能,但并沒有說明元件如何在閉環(huán)系統(tǒng)中工作,以及如何與系統(tǒng)中的其他元件相互作用。在為汽車設(shè)計(jì)選擇前端電源時(shí),這一點(diǎn)顯得尤為重要。與電池直接連接的電源需要效率高、尺寸小而且非常安靜。為什么要這樣呢?
TI的新型LM53635-Q1穩(wěn)壓器不僅僅是一個(gè)轉(zhuǎn)換器,它還是采用對惡劣環(huán)境敏感的先進(jìn)處理器和傳感器將變速箱、引擎和制動(dòng)等汽車電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)嘈雜、惡劣環(huán)境與高度復(fù)雜的電子控制單元(ECU)連接起來的電源調(diào)節(jié)電路。前端電源還需要管理雙電池和負(fù)載突降等故障和用戶情況。本文將說明在設(shè)計(jì)汽車電源時(shí)需考慮哪些問題,以及為了更好地管理挑戰(zhàn)需要為設(shè)計(jì)添加哪些功能。本文還將介紹TI的新產(chǎn)品36V、2.1MHz同步降壓穩(wěn)壓器。
一輛現(xiàn)代汽車上有許多節(jié)約燃油的功能;其中一項(xiàng)功能就是啟停操作。當(dāng)汽車排隊(duì)等候或者等紅綠燈時(shí),汽車停下會(huì)激活啟停功能,關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)以節(jié)約燃油。另一種稱為冷啟動(dòng)的情況會(huì)對系統(tǒng)造成相似的電子負(fù)載。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的負(fù)載,引起電池電壓的下降。
在啟?;蚶鋯?dòng)的情況下,電壓會(huì)突然大幅下降,使降壓轉(zhuǎn)換器失去作用。在一些情況下,或許要在電路中使用升壓轉(zhuǎn)換器來支持系統(tǒng)。如果設(shè)計(jì)的電源支持電壓突然降低,就可以節(jié)省升壓的支出,以及與增加的元件相關(guān)的成本、空間和功耗。
接近100%的占空比、非工作時(shí)間非常短和低導(dǎo)通電阻高端場效應(yīng)晶體管(FET)電阻的組合使得LM53635-Q1(見圖1)能夠在滿負(fù)載和全工作溫度范圍條件下支持電壓降至0.6V以下,同時(shí)為下游電源保持穩(wěn)壓功能,而不增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。
圖1:LM53635-Q1電壓降
由于汽車中使用的線束日益復(fù)雜、系統(tǒng)中的ECU節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加等原因,提供低電磁干擾(EMI)的電源變得更加重要。每一個(gè)線束和ECU都會(huì)產(chǎn)生在汽車周圍傳播的噪聲,影響其他應(yīng)用。考慮到安全應(yīng)用數(shù)量不斷增加,低電磁干擾功能也備受期待。TI在設(shè)計(jì)LM53635-Q1時(shí)采用了幾項(xiàng)技術(shù)來降低電磁干擾。
一項(xiàng)技術(shù)是根據(jù)LM53635-Q1調(diào)節(jié)和過濾使用的被動(dòng)元件的最佳位置進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝布局。如圖2所示,使用的引腳使得高頻輸入電容(在開關(guān)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)接地)呈對稱分布,GND與開關(guān)之間產(chǎn)生的電感降低,從而去除噪聲。
圖2:高頻CIN電容位置
另外,以特定的方式進(jìn)行封裝,能夠去除封裝內(nèi)部的寄生回路電感和電容,降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴噪聲,開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴是產(chǎn)生噪聲的主要原因(見圖3)。如果能在源頭上降低噪聲,則無需解決增加元件引起的問題。
圖3:LM53635-Q1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)
降低系統(tǒng)噪聲的另一項(xiàng)技術(shù)是展頻,展頻能夠調(diào)節(jié)中心開關(guān)頻率(此案例中為2.1MHz),抑制諧波和子諧波。展頻,正如其名稱所示,對降低整體噪峰非常有效,但不會(huì)影響噪底。但是,因?yàn)檎诡l能夠處理高頻諧波,有助于滿足通常非常嚴(yán)格的原始設(shè)備制造商(OEM)的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn),使印刷電路板設(shè)計(jì)更簡單,降低濾波元件的尺寸和成本。
圖4為30MHz至108MHz頻帶的LM53635-Q1,左圖為展頻關(guān)閉,右圖為展頻開啟。
為滿足CISPR25第5類限制(最嚴(yán)格的規(guī)范)而消除300MHz至108MHz電磁干擾
圖4:使用展頻抑制高頻諧波
需要克服的主要挑戰(zhàn)之一是因空間限制和周圍環(huán)境造成的發(fā)熱問題。今天許多汽車設(shè)計(jì)常常集成到用于機(jī)械功能的已有的外形和尺寸當(dāng)中,或僅僅集成到汽車設(shè)計(jì)的空閑空間中。后視鏡就是一個(gè)很好的例子。在過去,后視鏡是手動(dòng)操作的簡單設(shè)備,但現(xiàn)在卻集成了越來越多的電子器件,實(shí)現(xiàn)照相機(jī)等新功能??紤]到太陽照射熱和后視鏡的外殼材料(通常是塑料),印刷電路板上電子器件的溫度能達(dá)到105℃。電源要小到能夠管理集成的電子器件,同時(shí)還需要具備很高的效率,不會(huì)引起自身發(fā)熱。TI設(shè)計(jì)的LM53635-Q1效率高,能夠降低損耗,并以2.1MHz頻率工作,讓電源所需其他元件的尺寸盡可能小,從而管理熱量和尺寸問題。參見圖5。
圖5:LM53635-Q1以2.1MHz工作時(shí)的效率
保持質(zhì)量對于汽車設(shè)計(jì)至關(guān)重要,在設(shè)計(jì)安全相關(guān)系統(tǒng)時(shí)尤其如此。可焊性往往是可靠性的問題之一。為了提高焊縫質(zhì)量,可以使用多項(xiàng)技術(shù);其中一項(xiàng)技術(shù)為可潤濕側(cè)翼。參見圖6??蓾櫇駛?cè)翼是在封裝邊沿切割出空腔的工藝,使得引腳側(cè)能夠進(jìn)行更多可視潤濕,便于光學(xué)檢測。該技術(shù)非常有用,因?yàn)闊o需對封裝進(jìn)行X射線檢測即可確保焊接充分,同時(shí)保障了焊縫的完整性。
圖6:LM53635-Q1使用的可潤濕側(cè)翼工藝
正如本博文前面強(qiáng)調(diào)的,在設(shè)計(jì)汽車電源時(shí)還需要考慮很多問題,需要考慮為設(shè)計(jì)增加哪些功能使所面臨的挑戰(zhàn)更易于管理。只有理解這些問題后,才能實(shí)現(xiàn)更快速的設(shè)計(jì)、更小的解決方案和更低的成本。觀看視頻,了解如何使用TI的LM53635-Q1來解決汽車電磁干擾、發(fā)熱和系統(tǒng)挑戰(zhàn)。
其他信息:
● 獲得更多關(guān)于TI 2.1 MHz汽車轉(zhuǎn)換器家族的信息。
● 在你的下一個(gè)設(shè)計(jì)中考慮使用LM53635-Q1。
● 下載《汽車信息娛樂電源系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)》了解汽車信息娛樂系統(tǒng)的完全關(guān)閉電池前端電源。
● 閱讀博文“汽車應(yīng)用可潤濕側(cè)翼QFN封裝”獲得關(guān)于可潤濕側(cè)翼封裝的更多信息。
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