Les schémas d'application des deux contrôleurs sont présentés. Les résultats des tests d'efficacité, de température et d'émissions démontrent que les LT8638S et LT8648S sont des candidats idéaux pour alimenter les systèmes ADAS en plein développement.
Introduction :
Les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) jouent un rôle de plus en plus important dans les automobiles, améliorant la sécurité des conducteurs et des routes en minimisant les erreurs humaines. Les premiers systèmes ADAS intégraient une seule fonction d'assistance automatique à la conduite, comme le régulateur de vitesse adaptatif utilisant un capteur radar. Aujourd'hui, de plus en plus de fonctions ADAS sont ajoutées aux automobiles, telles que le stationnement d'urgence automatique, la surveillance des angles morts, l'alerte et l'évitement des piétons et des véhicules, l'avertissement et l'assistance au maintien de voie, et bien d'autres. L'évolution des ADAS implique que ces nouveaux véhicules consomment plus d'énergie que jamais auparavant en raison du nombre accru de capteurs et de caméras, des puissantes capacités de traitement et de calcul des données en temps réel et des communications à très haut débit. Par exemple, la première génération de SoC (systèmes sur puce) ADAS, comme le Mobileye EyeQ en 2008, ne consommait que 2 à 3 W. Les SoC ADAS plus récents, comme le NVIDIA® Xavier™, consomment 20 à 30 W, voire plus, en raison de leurs puissantes capacités de traitement et de calcul des données. L'ADAS est alimenté par une batterie de 12 V. Cette tension est d'abord convertie en une tension intermédiaire de 5 V ou 3,3 V, puis transformée en les différentes tensions inférieures requises par le cœur du SoC, les interfaces, les périphériques, etc. Étant donné que la consommation d'énergie du SoC ADAS augmente, le convertisseur intermédiaire doit être capable de fournir 10 A ou plus pour répondre à cette exigence.
Figure 2. Rendement et élévation de température des circuits de la figure 1
Une solution classique pour la conception d'une alimentation intermédiaire à courant élevé consiste à utiliser des convertisseurs abaisseurs. Cependant, la taille globale de cette solution est importante en raison de la nécessité de recourir à des MOSFET externes. Par conséquent, son installation dans un espace restreint, situation fréquente pour les systèmes ADAS automobiles, s'avère complexe. Un autre point crucial pour les alimentations à découpage dans les véhicules concerne les émissions électromagnétiques. Ces alimentations doivent respecter des limites strictes d'émissions électromagnétiques rayonnées et conduites, imposées par l'industrie automobile. Une consommation d'énergie plus élevée rend le respect de ces critères d'émissions électromagnétiques plus difficile. Afin de répondre aux exigences de consommation d'énergie, de taille et d'émissions électromagnétiques, Analog Devices a développé deux régulateurs à découpage monolithiques silencieux de 42 V : les LT8638S et LT8648S.
Figure 3. Fronts de commutation du LT8638S avec une entrée de 12 V et une charge de 10 A.
Solution d'alimentation compacte 10 A/12 A basée sur le LT8638S.
Le LT8638S est un régulateur abaisseur monocanal 42 V 10 A intégrant tous les circuits de commande et les MOSFET dans un boîtier LQFN de 4 mm × 5 mm. Son courant de sortie peut atteindre 12 A pendant de courtes périodes. Le LT8638S est parfaitement adapté à une alimentation intermédiaire de 10 A.
La figure 1 présente un schéma typique du régulateur LT8638S 5 V/10 A. Sa fréquence de commutation est ajustable de 200 kHz à 3 MHz. Le tableau 1 répertorie les principaux composants du circuit LT8638S à 400 kHz et à 2 MHz. La figure 2 illustre le rendement et l'échauffement du LT8638S sur la carte de démonstration DC2929A à 400 kHz et à 2 MHz.
En comparant le circuit 400 kHz à son équivalent à 2 MHz, l'encombrement de l'inductance est 2,5 fois supérieur à 400 kHz et la capacité de sortie 3 fois supérieure. Par conséquent, pour les applications où la taille et le coût sont des facteurs critiques, la fréquence de commutation de 2 MHz est préférable. Les principaux freins à l'utilisation de la fréquence de 2 MHz par les ingénieurs concepteurs d'alimentations sont le rendement et les performances thermiques, les pertes par commutation pouvant augmenter considérablement à des fréquences plus élevées. Le LT8638S pallie ces problèmes en minimisant les pertes par commutation grâce à ses fronts de commutation rapides, comme illustré sur la figure 3. Sur la figure 2, la température du LT8638S n'augmente que de 60 °C pour une puissance de sortie de 50 W à une fréquence de commutation de 2 MHz. L'écart de rendement entre 2 MHz et 400 kHz est inférieur à 1,5 % pour une charge de 10 A.
Figure 4. Circuit basé sur le LT8638S avec un niveau d'EMI extrêmement faible.
Des transitions rapides sont bénéfiques pour l'efficacité à haute fréquence de commutation, mais peuvent aggraver les émissions électromagnétiques (IEM). Le LT8638S intègre une architecture de commutation silencieuse qui lui permet de fonctionner avec des transitions rapides et des IEM considérablement réduites, le tout dans un format beaucoup plus compact. La figure 4 présente un circuit utilisant le LT8638A à 2 MHz, affichant des IEM extrêmement faibles. Pour obtenir le niveau d'IEM optimal, le régulateur fonctionne en mode à spectre étalé en connectant la broche SYNC/MODE à la broche INTVCC. La figure 5 illustre les émissions du LT8638S du circuit de la figure 4, avec la configuration de test définie par la norme CISPR 25. Les lignes rouges représentent les limites fixées par la classe 5 de la norme CISPR 25, qui constituent les spécifications d'émission les plus strictes de l'industrie automobile. Avec un nombre réduit de composants supplémentaires pour générer un filtre d'entrée, comme illustré sur la figure 4, le LT8638S respecte les limites maximales et moyennes exigeantes de la norme CISPR 25 classe 5.
Fréquence de commutation : 400 kHz / 2 MHz
. Inductance : L1 : 3,3 µH (10 mm × 11,3 mm × 10 mm) / 0,56 µH (6,36 mm × 6,56 mm × 6,1 mm). Condensateurs
: COUT : 47 µF × 3 / 47 µF × 1.
(Rt) : 105
) : 820 pF /
220 pF. Condensateurs de puissance (
CPL) : 33 pF / 10 pF.
Figure 5. Interférences électromagnétiques rayonnées et conduites pour le circuit de la figure 4 (entrée 12 V et sortie 3,3 V à 10 A).
Solution d'alimentation monolithique à courant élevé basée sur le LT8648S.
Un système ADAS complexe nécessite plusieurs SoC, ainsi qu'un ensemble de caméras et de capteurs. Par exemple, un système ADAS mains libres peut comporter plusieurs puces haute puissance et jusqu'à 11 caméras. Le LT8648S peut fournir un courant de sortie supérieur à celui du LT8638S et assurer l'alimentation intermédiaire requise par ces systèmes ADAS plus complexes. En tant que régulateur abaisseur monolithique de 42 V et 15 A, le courant et la puissance de sortie du LT8648S sont comparables à ceux d'une solution de contrôle de puissance utilisant des MOSFET externes. Sa capacité de courant peut être encore augmentée en connectant plusieurs unités LT8648S en parallèle.
La figure 6 présente le circuit 2 MHz, 3,3 V/25 A avec deux régulateurs LT8648S en parallèle. Ces deux régulateurs partagent l'entrée et la sortie. Les broches EN/UV et SS sont connectées afin d'assurer leur activation simultanée et une pente de sortie identique. Le LT8648S utilise une commande en mode courant de crête, qui corrèle la tension de sortie (VC) de l'amplificateur d'erreur avec le courant de charge. La connexion des broches VC et FB permet d'obtenir un bon équilibrage des courants entre les deux régulateurs LT8648S en parallèle, sans circuit supplémentaire. La broche CLKOUT du LT8648S U1 est connectée à la broche SYNC/MODE du LT8648S U2. Cette connexion synchronise les deux régulateurs LT8648S avec un déphasage de 180°.
La figure 7 illustre le rendement et l'élévation de température du circuit de la figure 6. Les températures de U1 et U2 sont quasiment identiques, ce qui indique un bon équilibrage des courants dans cette application en parallèle. La fréquence de commutation élevée et la compensation externe permettent une réponse rapide aux transitoires. La figure 8 illustre la réponse transitoire de la charge du circuit présenté figure 6.
Figure 7 : Rendement et élévation de température du circuit présenté figure 6.
Conclusion
Cet article présente deux régulateurs monolithiques silencieux à découpage de 42 V à courant élevé : les LT8638S et LT8648S. Leur excellent rendement et leurs émissions ultra-faibles éliminent les problèmes thermiques et d’interférences électromagnétiques dans les environnements difficiles des applications automobiles.
Avec leurs MOSFET intégrés, les LT8638S et LT8648S offrent une solution compacte pour les alimentations à courant intermédiaire élevé requises par les systèmes ADAS automobiles en pleine croissance.
À propos de l'auteur
Ying Cheng est ingénieure d'application en produits de puissance au sein du groupe d'activités Industrie et Marchés multiples d'Analog Devices à Santa Clara, en Californie (États-Unis), où elle travaille depuis 2010. Elle travaille actuellement sur des applications liées aux convertisseurs abaisseurs monolithiques non isolés. Ses domaines d'intérêt en gestion de l'énergie comprennent les convertisseurs et régulateurs de puissance haute performance et à haut rendement, la haute densité de puissance et la réduction des interférences électromagnétiques (IEM) dans les secteurs de l'automobile, des télécommunications, du médical et de l'industrie. Ying Cheng est titulaire d'une licence en génie électrique de l'université Jiao Tong de Shanghai (Chine) et d'un doctorat en génie électrique de l'université des sciences et technologies du Missouri (anciennement université du Missouri-Rolla) à Rolla, dans le Missouri (États-Unis). Son adresse électronique est :
Figure 8. Réponse transitoire de la charge de 10 A à 20 A du circuit représenté sur la figure 6.
