São apresentados os circuitos de aplicação para ambos os controladores. Os resultados dos testes de eficiência, temperatura e emissões demonstram que o LT8638S e o LT8648S são candidatos ideais para alimentar os sistemas ADAS em rápido desenvolvimento.
Introdução:
Os Sistemas Avançados de Assistência ao Condutor (ADAS) desempenham um papel cada vez mais importante nos automóveis, melhorando a segurança do condutor e da estrada, ao minimizar o erro humano. Os primeiros sistemas ADAS incorporavam uma única função automática de assistência ao condutor, como o cruise control adaptativo através de um sensor de radar. Atualmente, estão a ser adicionadas mais funções ADAS aos automóveis, como estacionamento automático de emergência, monitorização de ângulo morto, alerta e prevenção de colisões com peões e veículos, aviso e assistência à saída de faixa, entre outras. A evolução dos ADAS significa que estes novos veículos consomem mais energia do que nunca devido ao aumento do número de sensores e câmaras, à poderosa capacidade de processamento e computação de dados em tempo real e às comunicações de altíssima velocidade. Por exemplo, a primeira geração de SoCs (sistema num chip) para ADAS, como o Mobileye EyeQ em 2008, consumia apenas 2 a 3 W. Os SoCs para ADAS mais recentes, como o NVIDIA® Xavier™, consomem 20 a 30 W ou mais devido à sua poderosa capacidade de processamento e computação de dados. O ADAS é alimentado por uma bateria de 12 V. Esta tensão é primeiro convertida para uma tensão intermédia de 5V ou 3,3V e depois transformada nas diversas tensões mais baixas exigidas pelo núcleo do SoC, interfaces, periféricos, etc. Como o consumo de energia do SoC ADAS aumenta, o conversor intermédio deve ser capaz de fornecer 10A ou mais para satisfazer esta necessidade.
Figura 2. Eficiência e aumento de temperatura dos circuitos da Figura 1
Uma solução tradicional para projetar uma fonte de alimentação intermédia de alta corrente é utilizar controladores buck. No entanto, o tamanho global da solução é grande devido à necessidade de MOSFETs externos. Por conseguinte, é difícil instalar a fonte de alimentação num espaço confinado, uma situação comum nas aplicações ADAS em automóveis. Outro ponto de preocupação para as fontes de alimentação comutada em veículos são as emissões eletromagnéticas. As fontes de alimentação devem cumprir limites rigorosos estabelecidos para as emissões eletromagnéticas irradiadas e conduzidas, que são obrigatórios na indústria automóvel. O maior consumo de energia torna estes critérios de emissão eletromagnética mais difíceis de cumprir. Para cumprir as limitações de consumo de energia, tamanho e emissões eletromagnéticas, a Analog Devices desenvolveu dois reguladores monolíticos Silent Switcher de 42 V: o LT8638S e o LT8648S.
Figura 3. Bordas de comutação do LT8638S com entrada de 12 V e carga de 10 A.
Solução compacta de fonte de alimentação de 10A/12A baseada no LT8638S.
O LT8638S é um regulador buck de canal único, 42V e 10A, que incorpora todos os circuitos de controlo e MOSFETs num encapsulamento LQFN de 4mm × 5mm. A sua corrente de saída pode atingir 12A por curtos períodos. O LT8638S é uma excelente opção para a linha de alimentação intermédia de 10 A.
A Figura 1 mostra um esquema típico do LT8638S de 5 V/10 A. A frequência de comutação do regulador LT8638S é ajustável entre 200 kHz e 3 MHz. A Tabela 1 lista os principais componentes do circuito LT8638S a 400 kHz e a 2 MHz. A Figura 2 mostra a eficiência e a elevação de temperatura do LT8638S na placa de demonstração DC2929A a 400 kHz e 2 MHz, respetivamente.
Comparando o circuito de 400 kHz do LT8638S com o de 2 MHz, a área ocupada pelo indutor a 400 kHz é 2,5 vezes maior do que a 2 MHz, e o condensador de saída a 400 kHz é 3 vezes maior do que a 2 MHz. Assim, em aplicações com restrições de tamanho e custo, a frequência de comutação de 2 MHz é preferível. As principais razões pelas quais os engenheiros de design de fontes de alimentação não utilizam 2 MHz são a eficiência e o desempenho térmico, dado que as perdas de comutação podem aumentar significativamente a frequências de comutação mais elevadas. O LT8638S elimina estas preocupações minimizando as perdas de comutação com as suas transições rápidas, como se pode ver na Figura 3. Na Figura 2, a temperatura do LT8638S aumenta apenas 60 °C com uma potência de saída de 50 W a uma frequência de comutação de 2 MHz. A diferença de eficiência entre 2 MHz e 400 kHz é de até 1,5% para uma carga de 10 A.
Figura 4. Circuito baseado no LT8638S com um nível de EMI extremamente baixo.
As transições rápidas são benéficas para a eficiência a altas frequências de comutação, mas podem piorar as emissões eletromagnéticas (EMI). O LT8638S incorpora uma arquitetura de comutação silenciosa que permite operar com transições rápidas e EMI significativamente baixa num encapsulamento muito mais pequeno. A Figura 4 mostra um circuito com o LT8638A de 2 MHz a exibir uma EMI extremamente baixa. Para atingir o melhor nível de EMI, o regulador opera em modo de espectro espalhado ligando o pino SYNC/MODE ao pino INTVCC. A Figura 5 mostra as emissões do LT8638S do circuito da Figura 4 com a configuração de teste definida na norma CISPR 25. As linhas vermelhas representam os limites estabelecidos pela CISPR 25 Classe 5, que são as especificações de emissões mais rigorosas da indústria automóvel. Com poucos componentes adicionais para gerar um filtro de entrada, como se pode ver na Figura 4, o LT8638S pode cumprir os exigentes limites máximos e médios da Classe 5 da norma CISPR 25.
Frequência de comutação: 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
105 kΩ
Rc: 9,31 kΩ / 13,7 kΩ; Cc:
820 pF / 220 pF;
CPL: 33 pF / 10 pF.
Figura 5. EMI irradiada e conduzida para o circuito da Figura 4 (entrada de 12 V e saída de 3,3 V a 10 A).
Solução de fonte de alimentação monolítica de alta corrente baseada no LT8648S.
Um ADAS complexo requer mais do que um SoC, bem como uma matriz de câmaras e sensores. Por exemplo, um ADAS mãos-livres pode ser constituído por vários chips de alta potência e até 11 câmaras. O LT8648S pode fornecer uma corrente de saída mais elevada do que o LT8638S e pode fornecer a alimentação intermédia que estes ADAS mais complexos exigem. Como regulador buck monolítico de 42 V e 15 A, a corrente e a potência de saída do LT8648S aproximam-se das de uma solução de controlador de potência utilizando MOSFETs externos. A sua capacidade de fornecimento de corrente pode ser ainda aumentada ligando várias unidades LT8648S em paralelo.
A Figura 6 mostra o circuito de 2 MHz, 3,3 V/25 A com dois dispositivos LT8648S em paralelo. Os dois reguladores LT8648S partilham a entrada e a saída. Os pinos EN/UV e SS estão ligados para garantir que os dois reguladores se ligam simultaneamente e com a mesma inclinação de saída. O LT8648S utiliza o controlo de modo de corrente de pico, que correlaciona a tensão de saída (VC) do amplificador de erro com a corrente de carga. Ao ligar os pinos VC e FB, os dois reguladores LT8648S em paralelo podem atingir um bom equilíbrio de corrente sem a necessidade de circuitos adicionais. O pino CLKOUT do U1 LT8648S está ligado ao pino SYNC/MODE do U2 LT8648S. Esta ligação sincroniza os dois reguladores LT8648S com um desfasamento de 180°.
A Figura 7 mostra a eficiência e a elevação de temperatura do circuito da Figura 6. U1 e U2 apresentam temperaturas quase idênticas, indicando um bom equilíbrio de corrente nesta aplicação em paralelo. A elevada frequência de comutação e a compensação externa permitem uma resposta rápida a transitórios. A Figura 8 mostra a resposta transitória da carga do circuito apresentado na Figura 6.
Figura 7. Eficiência e elevação de temperatura do circuito apresentado na Figura 6.
Conclusão:
Este artigo apresenta dois reguladores monolíticos Silent Switcher de alta corrente e 42 V: o LT8638S e o LT8648S. A sua excelente eficiência e as emissões muito baixas eliminam as preocupações térmicas e de EMI nos ambientes severos de aplicações automóveis.
Com os seus MOSFETs integrados, o LT8638S e o LT8648S oferecem uma solução compacta para as fontes de alimentação de alta corrente intermédia exigidas pelos sistemas ADAS automóveis, que estão em rápido crescimento.
Sobre o autor
Ying Cheng é Engenheira de Aplicações de Produtos de Energia no Grupo de Negócios Industriais e Multimercados da Analog Devices em Santa Clara, Califórnia, EUA, onde trabalha desde 2010. Atualmente trabalha com aplicações relacionadas com conversores buck monolíticos não isolados. As áreas de interesse de Ying Cheng na gestão de energia incluem conversores e reguladores de energia de alto desempenho e alta eficiência, alta densidade de potência e baixa EMI em aplicações automóveis, de telecomunicações, médicas e industriais. Ying Cheng é licenciado em Engenharia Eletrotécnica pela Universidade Jiao Tong de Xangai (China) e doutorado em Engenharia Eletrotécnica pela Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri (antiga Universidade do Missouri-Rolla) em Rolla, Missouri, EUA. O seu endereço de e-mail é
Figura 8. Resposta transitória da carga de 10 A a 20 A do circuito representado na Figura 6.
