Vengono presentati i circuiti applicativi per entrambi i controller. I risultati dei test di efficienza, temperatura ed emissioni dimostrano che gli LT8638S e gli LT8648S sono candidati ideali per alimentare i sistemi ADAS in rapida evoluzione.
Introduzione:
I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) stanno assumendo un ruolo sempre più importante nelle automobili, migliorando la sicurezza del conducente e della strada riducendo al minimo l'errore umano. I primi sistemi ADAS integravano una singola funzione automatica di assistenza alla guida, come il cruise control adattivo tramite sensore radar. Attualmente, vengono aggiunte alle automobili sempre più funzioni ADAS, come il parcheggio automatico di emergenza, il monitoraggio dell'angolo cieco, l'avviso e l'evitamento di pedoni e veicoli, l'avviso e l'assistenza al mantenimento della corsia e altro ancora. L'evoluzione degli ADAS implica che questi nuovi veicoli consumino più energia che mai a causa del maggior numero di sensori e telecamere, delle potenti capacità di elaborazione e calcolo dei dati in tempo reale e delle comunicazioni ad altissima velocità. Ad esempio, la prima generazione di SoC (system-on-a-chip) ADAS, come il Mobileye EyeQ del 2008, consumava solo da 2 a 3 W. I SoC ADAS più recenti, come l'NVIDIA® Xavier™, consumano da 20 a 30 W o più a causa delle loro potenti capacità di elaborazione e calcolo dei dati. L'ADAS è alimentato da una batteria da 12 V. Questa tensione viene prima convertita in una tensione intermedia di 5 V o 3,3 V e poi trasformata nelle varie tensioni inferiori richieste dal core del SoC, dalle interfacce, dalle periferiche, ecc. Poiché il consumo energetico del SoC ADAS aumenta, il convertitore intermedio deve essere in grado di fornire 10 A o più per soddisfare questo requisito.
Figura 2. Efficienza e aumento di temperatura dei circuiti in Figura 1
Una soluzione tradizionale per la progettazione di un alimentatore intermedio ad alta corrente consiste nell'utilizzo di regolatori buck. Tuttavia, le dimensioni complessive della soluzione risultano elevate a causa della necessità di MOSFET esterni. Pertanto, è difficile installare l'alimentatore in uno spazio ristretto, una situazione comune per le applicazioni ADAS nelle automobili. Un altro aspetto critico per gli alimentatori switching nei veicoli è rappresentato dalle emissioni elettromagnetiche. Gli alimentatori devono rispettare i severi limiti imposti per le emissioni elettromagnetiche irradiate e condotte, obbligatori nel settore automobilistico. Un maggiore consumo energetico rende più difficile il rispetto di questi criteri di emissione elettromagnetica. Per conformarsi ai limiti di consumo energetico, dimensioni ed emissioni elettromagnetiche, Analog Devices ha sviluppato due regolatori switching monolitici Silent Switcher da 42 V: l'LT8638S e l'LT8648S.
Figura 3. Fronti di commutazione dell'LT8638S con ingresso a 12 V e carico a 10 A.
Soluzione di alimentazione compatta da 10A/12A basata sull'LT8638S.
L'LT8638S è un regolatore buck a canale singolo da 42V e 10A che integra tutti i circuiti di controllo e i MOSFET in un package LQFN da 4 mm × 5 mm. La sua corrente di uscita può raggiungere i 12A per brevi periodi. L'LT8638S è la soluzione ideale per la linea di alimentazione intermedia da 10A.
La Figura 1 mostra uno schema tipico del regolatore LT8638S da 5 V/10 A. La frequenza di commutazione del regolatore LT8638S è regolabile tra 200 kHz e 3 MHz. La Tabella 1 elenca i componenti principali per il circuito LT8638S a 400 kHz e per il circuito LT8638S a 2 MHz. La Figura 2 mostra l'efficienza e l'aumento di temperatura dell'LT8638S sulla scheda demo DC2929A a 400 kHz e 2 MHz, rispettivamente.
Confrontando il circuito a 400 kHz dell'LT8638S con il suo circuito a 2 MHz, l'ingombro dell'induttore per 400 kHz è 2,5 volte maggiore rispetto a quello per 2 MHz, e il condensatore di uscita per 400 kHz è 3 volte maggiore rispetto a quello per 2 MHz. Pertanto, nelle applicazioni in cui dimensioni e costi sono fattori critici, la frequenza di commutazione di 2 MHz è preferibile. I motivi principali per cui i progettisti di alimentatori non utilizzano 2 MHz sono l'efficienza e le prestazioni termiche, poiché le perdite di commutazione possono aumentare significativamente a frequenze di commutazione più elevate. L'LT8638S elimina questi problemi minimizzando le perdite di commutazione grazie ai suoi fronti di commutazione rapidi, come mostrato in Figura 3. Nella Figura 2, la temperatura dell'LT8638S aumenta di soli 60 °C con una potenza di uscita di 50 W a una frequenza di commutazione di 2 MHz. La differenza di efficienza tra 2 MHz e 400 kHz è entro l'1,5% per un carico di 10 A.
Figura 4. Circuito basato sull'LT8638S con un livello di EMI estremamente basso.
I fronti di commutazione rapidi sono vantaggiosi per l'efficienza alle alte frequenze di commutazione, ma possono peggiorare le emissioni elettromagnetiche (EMI). L'LT8638S incorpora un'architettura Silent Switcher che gli consente di operare con fronti di commutazione rapidi e EMI significativamente basse in un package molto più piccolo. La Figura 4 mostra un circuito con l'LT8638A a 2 MHz che presenta EMI estremamente basse. Per ottenere il miglior livello di EMI, il regolatore opera in modalità spread spectrum collegando il pin SYNC/MODE al pin INTVCC. La Figura 5 mostra le emissioni dell'LT8638S dal circuito della Figura 4 con la configurazione di test definita nello standard CISPR 25. Le linee rosse rappresentano i limiti stabiliti dalla Classe 5 del CISPR 25, che sono le specifiche di emissione più rigorose nel settore automobilistico. Con pochissimi componenti aggiuntivi per generare un filtro di ingresso, come mostrato in Figura 4, l'LT8638S può soddisfare i rigorosi limiti massimi e medi della classe 5 di CISPR 25.
Frequenza di commutazione 400 kHz 2 MHz
L1 3,3 µH (10 mm × 11,3 mm × 10 mm) 0,56 µH (6,36 mm × 6,56 mm × 6,1 mm)
COUT 47 µF × 3 47 µF × 1
Rt 105 kΩ 16,9 kΩ
Rc 9,31 kΩ 13,7 kΩ
Cc 820 pF 220 pF
CPL 33 pF 10 pF
Figura 5. EMI irradiate e condotte per il circuito in Figura 4 (ingresso 12 V e uscita 3,3 V a 10 A).
Soluzione di alimentazione monolitica ad alta corrente basata sull'LT8648S.
Un ADAS complesso richiede più di un SoC, nonché una serie di telecamere e sensori. Ad esempio, un ADAS a mani libere potrebbe essere costituito da diversi chip ad alta potenza e fino a 11 telecamere. L'LT8648S può fornire una corrente di uscita superiore rispetto all'LT8638S e può fornire l'alimentazione intermedia richiesta da questi ADAS più complessi. Come regolatore buck monolitico da 42 V, 15 A, la corrente di uscita e la potenza dell'LT8648S si avvicinano a quelle di una soluzione di controllo della potenza che utilizza MOSFET esterni. La sua capacità di alimentazione di corrente può essere ulteriormente aumentata collegando più unità LT8648S in parallelo.
La Figura 6 mostra il circuito a 2 MHz, 3,3 V/25 A con due dispositivi LT8648S in parallelo. I due regolatori LT8648S condividono l'ingresso e l'uscita. I pin EN/UV e SS sono collegati per garantire che i due regolatori si accendano simultaneamente e con la stessa pendenza di uscita. L'LT8648S utilizza il controllo in modalità corrente di picco, che correla la tensione di uscita (VC) dell'amplificatore di errore con la corrente di carico. Collegando i pin VC e FB, i due regolatori LT8648S in parallelo possono ottenere un buon bilanciamento della corrente senza la necessità di circuiti aggiuntivi. Il pin CLKOUT dell'LT8648S U1 è collegato al pin SYNC/MODE dell'LT8648S U2. Questo collegamento sincronizza i due regolatori LT8648S con uno sfasamento di 180°.
La Figura 7 mostra l'efficienza e l'aumento di temperatura del circuito in Figura 6. U1 e U2 hanno quasi la stessa temperatura, il che indica un buon bilanciamento della corrente in questa applicazione in parallelo. L'elevata frequenza di commutazione e la compensazione esterna consentono una risposta rapida ai transitori. La Figura 8 mostra la risposta ai transitori di carico del circuito illustrato nella Figura 6.
Figura 7. Efficienza e aumento di temperatura del circuito illustrato nella Figura 6.
Conclusione
Questo articolo presenta due regolatori monolitici Silent Switcher ad alta corrente da 42 V: l'LT8638S e l'LT8648S. La loro eccellente efficienza e le emissioni ultra-basse eliminano i problemi termici e di interferenza elettromagnetica (EMI) negli ambienti difficili delle applicazioni automobilistiche.
Grazie ai MOSFET integrati, gli LT8638S e LT8648S offrono una soluzione compatta per gli alimentatori ad alta corrente intermedia richiesti dai sistemi ADAS automobilistici in rapida espansione.
Informazioni sull'autore
Ying Cheng è un'ingegnere applicativa per prodotti di potenza presso il gruppo Industrial and Multimarkets di Analog Devices a Santa Clara, California, USA, dove lavora dal 2010. Attualmente si occupa di applicazioni relative a convertitori buck monolitici non isolati. Gli ambiti di interesse di Ying Cheng nella gestione dell'energia includono convertitori e regolatori di potenza ad alte prestazioni ed efficienza, alta densità di potenza e basse interferenze elettromagnetiche (EMI) in applicazioni automobilistiche, di telecomunicazioni, mediche e industriali. Ying Cheng ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso la Shanghai Jiao Tong University (Cina) e un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica presso la Missouri University of Science and Technology (precedentemente University of Missouri-Rolla) a Rolla, Missouri, USA. Il suo indirizzo email è
Figura 8. Risposta transitoria del carico da 10 A a 20 A del circuito mostrato in Figura 6.
