Представлены схемы применения обоих контроллеров. Результаты испытаний на эффективность, температуру и излучение показывают, что LT8638S и LT8648S являются идеальными кандидатами для питания быстро развивающихся систем ADAS.
Введение:
Передовые системы помощи водителю (ADAS) играют все более важную роль в автомобилях, повышая безопасность водителя и дорожного движения за счет минимизации человеческих ошибок. Ранние системы ADAS включали в себя одну автоматическую функцию помощи водителю, например, адаптивный круиз-контроль с использованием радарного датчика. В настоящее время в автомобили добавляются новые функции ADAS, такие как автоматическая экстренная парковка, мониторинг слепых зон, предупреждение и предотвращение столкновений с пешеходами/транспортными средствами, предупреждение и помощь при выезде из полосы движения и многое другое. Эволюция ADAS означает, что эти новые автомобили потребляют больше энергии, чем когда-либо прежде, из-за увеличения количества датчиков и камер, мощных возможностей обработки данных и вычислений в реальном времени, а также очень высокоскоростной связи. Например, первое поколение SoC (систем на кристалле) ADAS, таких как Mobileye EyeQ в 2008 году, потребляло всего 2–3 Вт. Более новые SoC ADAS, такие как NVIDIA® Xavier™, потребляют 20–30 Вт и более из-за своих мощных возможностей обработки данных и вычислений. Питание ADAS осуществляется от 12-вольтовой батареи. Это напряжение сначала преобразуется в промежуточное напряжение 5 В или 3,3 В, а затем трансформируется в различные более низкие напряжения, необходимые ядру SoC, интерфейсам, периферийным устройствам и т. д. Поскольку энергопотребление SoC ADAS возрастает, промежуточный преобразователь должен быть способен обеспечивать ток 10 А или более для удовлетворения этого требования.
Рисунок 2. Эффективность и повышение температуры цепей на рисунке 1
Традиционным решением для проектирования сильноточных источников питания промежуточного уровня является использование понижающих контроллеров. Однако габариты такого решения велики из-за необходимости использования внешних MOSFET-транзисторов. Поэтому установка источника питания в ограниченном пространстве затруднена, что часто встречается в системах ADAS в автомобилях. Еще одним важным моментом для импульсных источников питания в транспортных средствах является электромагнитное излучение. Источники питания должны соответствовать строгим ограничениям по излучаемому и кондуктивному электромагнитному излучению, которые являются обязательными в автомобильной промышленности. Более высокое энергопотребление затрудняет соблюдение этих критериев электромагнитного излучения. Для соблюдения ограничений по энергопотреблению, размерам и электромагнитному излучению компания Analog Devices разработала два монолитных бесшумных импульсных регулятора на 42 В: LT8638S и LT8648S.
Рисунок 3. Переключение фронтов сигнала микросхемы LT8638S при входном напряжении 12 В и нагрузке 10 А.
Компактное решение для питания 10А/12А на базе LT8638S.
LT8638S — это одноканальный понижающий регулятор напряжения 42 В, 10 А, в котором вся схема управления и MOSFET-транзисторы размещены в корпусе LQFN размером 4 мм × 5 мм. Его выходной ток может достигать 12 А в течение коротких периодов времени. LT8638S идеально подходит для промежуточной линии питания 10 А.
На рисунке 1 показана типичная схема LT8638S на 5 В/10 А. Частота переключения регулятора LT8638S регулируется в диапазоне от 200 кГц до 3 МГц. В таблице 1 перечислены основные компоненты схемы LT8638S на частоте 400 кГц и на частоте 2 МГц. На рисунке 2 показаны КПД и повышение температуры LT8638S на демонстрационной плате DC2929A на частотах 400 кГц и 2 МГц соответственно.
Сравнивая схему LT8638S на частоте 400 кГц со схемой на частоте 2 МГц, можно заметить, что площадь индуктора на частоте 400 кГц в 2,5 раза больше, чем на частоте 2 МГц, а выходной конденсатор на частоте 400 кГц в 3 раза больше, чем на частоте 2 МГц. Поэтому в приложениях, где важны размеры и стоимость, предпочтительнее частота переключения 2 МГц. Основные причины, по которым инженеры-разработчики источников питания не используют частоту 2 МГц, — это эффективность и тепловые характеристики, поскольку потери при переключении могут значительно возрастать на более высоких частотах. LT8638S устраняет эти проблемы, минимизируя потери при переключении благодаря быстрым фронтам переключения, как показано на рисунке 3. На рисунке 2 температура LT8638S повышается всего на 60°C при выходной мощности 50 Вт на частоте переключения 2 МГц. Разница в эффективности между 2 МГц и 400 кГц составляет менее 1,5% при нагрузке 10 А.
Рисунок 4. Схема на основе микросхемы LT8638S с чрезвычайно низким уровнем электромагнитных помех.
Быстрые фронты переключения способствуют повышению эффективности на высоких частотах переключения, но могут ухудшать электромагнитные помехи (ЭМП). LT8638S использует архитектуру «бесшумного переключателя», которая позволяет ему работать с быстрыми фронтами переключения и значительно низким уровнем ЭМП в гораздо меньшем корпусе. На рисунке 4 показана схема с LT8638A на частоте 2 МГц, демонстрирующая чрезвычайно низкий уровень ЭМП. Для достижения наилучшего уровня ЭМП регулятор работает в режиме расширенного спектра, соединяя вывод SYNC/MODE с выводом INTVCC. На рисунке 5 показаны излучения LT8638S из схемы на рисунке 4 с тестовой конфигурацией, определенной в стандарте CISPR 25. Красные линии представляют собой пределы, установленные CISPR 25 Class 5, которые являются наиболее строгими спецификациями по излучению в автомобильной промышленности. Благодаря минимальному количеству дополнительных компонентов для создания входного фильтра, как показано на рисунке 4, LT8638S может соответствовать жестким максимальным и средним пределам CISPR 25 класса 5.
Частота переключения 400 кГц 2 МГц
L1 3,3 мкГн (10 мм × 11,3 мм × 10 мм) 0,56 мкГн (6,36 мм × 6,56 мм × 6,1 мм)
COUT 47 мкФ × 3 47 мкФ × 1
Rt 105 кОм 16,9 кОм
Rc 9,31 кОм 13,7 кОм
Cc 820 пФ 220 пФ
CPL 33 пФ 10 пФ
Рисунок 5. Излучаемые и кондуктивные электромагнитные помехи для схемы на рисунке 4 (вход 12 В и выход 3,3 В при 10 А).
Монолитное решение для питания с более высоким током на основе LT8648S.
Сложная система ADAS требует более одного SoC, а также массива камер и датчиков. Например, система ADAS с функцией «свободные руки» может состоять из нескольких мощных микросхем и до 11 камер. LT8648S может обеспечивать более высокий выходной ток, чем LT8638S, и может обеспечивать промежуточное питание, необходимое для таких более сложных систем ADAS. Будучи монолитным понижающим регулятором на 42 В, 15 А, выходной ток и мощность LT8648S приближаются к показателям контроллера питания с использованием внешних MOSFET-транзисторов. Его токовая мощность может быть дополнительно увеличена за счет параллельного подключения нескольких блоков LT8648S.
На рисунке 6 показана схема с частотой 2 МГц, напряжением 3,3 В и током 25 А, использующая два параллельно соединенных микросхемы LT8648S. Два регулятора LT8648S имеют общий вход и выход. Выводы EN/UV и SS соединены таким образом, чтобы обеспечить одновременное включение обоих регуляторов с одинаковой крутизной выходного сигнала. LT8648S использует режим управления пиковым током, который связывает выходное напряжение (VC) усилителя ошибки с током нагрузки. Соединив выводы VC и FB, два параллельно соединенных регулятора LT8648S могут обеспечить хороший баланс тока без необходимости использования дополнительных схем. Вывод CLKOUT микросхемы U1 LT8648S соединен с выводом SYNC/MODE микросхемы U2 LT8648S. Это соединение синхронизирует два регулятора LT8648S с фазовым сдвигом 180°.
На рисунке 7 показана эффективность и повышение температуры схемы, показанной на рисунке 6. U1 и U2 имеют практически одинаковую температуру, что указывает на хороший баланс тока в этом параллельном соединении. Высокая частота переключения и внешняя компенсация обеспечивают быструю реакцию на переходные процессы. На рисунке 8 показана переходная характеристика нагрузки схемы, показанной на рисунке 6.
Рисунок 7. Эффективность и повышение температуры схемы, показанной на рисунке 6.
Заключение.
В данной статье представлены два сильноточных монолитных бесшумных импульсных регулятора напряжения на 42 В: LT8638S и LT8648S. Их превосходная эффективность и сверхнизкий уровень излучения устраняют проблемы, связанные с перегревом и электромагнитными помехами в суровых условиях автомобильной промышленности.
Благодаря встроенным MOSFET-транзисторам, LT8638S и LT8648S представляют собой компактное решение для источников питания с высоким промежуточным током, необходимых для быстрорастущих автомобильных систем ADAS.
Об авторе
Ин Чэн — инженер по применению силовой продукции в группе промышленного и многорыночного бизнеса компании Analog Devices в Санта-Кларе, Калифорния, США, где она работает с 2010 года. В настоящее время она занимается приложениями, связанными с неизолированными монолитными понижающими преобразователями. Сфера интересов Ин Чэн в области управления питанием включает высокопроизводительные и высокоэффективные преобразователи и регуляторы мощности, высокую удельную мощность и низкий уровень электромагнитных помех в автомобильной, телекоммуникационной, медицинской и промышленной отраслях. Ин Чэн имеет степень бакалавра наук в области электротехники Шанхайского университета Цзяотун (Китай) и степень доктора философии в области электротехники Университета науки и технологий Миссури (ранее Университет Миссури-Ролла) в Ролле, штат Миссури, США. Ее адрес электронной почты:
Рисунок 8. Переходная характеристика нагрузки от 10 А до 20 А цепи, показанной на рисунке 6.
