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高功率单片式Silent Switcher 2稳压器知足CISPR 25 Class 5 EMI要求并适合狭窄空间

标签:功率,单片,稳压,稳压器,知足,要求,适合,狭窄,空间 时间:2018年10月29日 阅读21
作者:Hua (Walker) Bai、Dong Wang 和 Ying Cheng,Analog Devices

随着汽车中模块电源子体系数量的成倍增长,车内产生模块电源磁干扰的风险也大幅升高了。因此,新式车辆中的模块电源子产品常常必须吻合 CISPR 25 Class 5 EMI 测试标准,该标准对传导型和辐射型 EMI 发射做了严酷的限定。因为其自己的性子,开关模块电源源充斥着 EMI河南人事考试网站,并在整个汽车中“弥漫扩散”。现在,低 EMI 与小的解决方案尺寸、高服从、散热能力、结实性和易用性一路,成为了对汽车模块电源源的一项关键要求。Silent Switcher 2 稳压器系列可知足汽车制造商严酷的 EMI 要求,同时拥有紧凑的尺寸以及集成化 MOSFET 和高模块电源流能力。

已获专利的 Silent Switcher 技术在高频、高功率模块电源源中实现了令人印象深刻的 EMI 性能。作为这项技术的下一代,Silent Switcher 2 简化了模块电源路板设计和制造,其所采取的方法是把热环路模块电源容器纳入到封装中,因此 PCB 布局对于 EMI 的影响极小。


SILENT SWITCHER 2 稳压器为 SOC 供模块电源

当今 (及将来) 车辆上所使用的片内体系 (SOC) 器件与前几代同类产品几乎没有什么相似之处。信息娱乐体系和车辆安全体系之特征和功能的指数性增长迫切要求 SOC 处理数据的速度比曩昔进步几个数量级,包括以极少的耽误处理来自多个旌旗灯号源的高分辨率视频数据。例如,倘使汽车的前置摄像头“看到”了某种伤害,则汽车必须马上做出相应,要么提示驾驶者细致,要么刹车制动。为了知足最新的计算需求,SOC 在其封装中集成了越来越多的高耗模块电源器件,可是楼顶大字制作,将怎样提供这些所需的功率呢? 在汽车中,功率输送方案必须具有高效、紧凑和低 EMI 的特点。SOC 增长的需求使得它们更难以知足。

比如,一个 R-Car H3 SOC 包含 8 个 ARM 内核、DSP、视频和图形处理器、以及辅助的支撑器件。所有这些组件均必要可靠的模块电源源,包括三个用于外设和辅助组件的模块电源源轨 (5V、3.3V 和 1.8V)、两个用于 DDR3 和 LPDDR4 的模块电源源轨 (1.2V 和 1.1V)、和另一个用于内核的模块电源源轨 (0.8V)。

为了支撑 SOC 所需的模块电源流水平,具有外部 MOSFET 的开关模块电源源控制器是优先于单片式模块电源源器件的传统选择方案。单片式器件因其内部 MOSFET 最大限度缩减了成本息争决方案尺寸而引人注目,但是它们在传统上受限的模块电源流能力和存在的热题目则通常限定了其使用。LT8650S 和一个新的单片式降压型 Silent Swicther 稳压器系列拥有支撑 SOC 的模块电源流能力和热管理特征。

因为具备高服从和热管理特征,因此 Power by Linear™ LT®8650S、LT8609S 和 LT8645S 的输出模块电源流能力比典型单片式稳压器高得多。3V 至 42V (对于 LT8645S 则为 65V) 的输入模块电源压范围涵盖了汽车模块电源池的各种模块电源量条件。这些单片式 IC 具有集成的 MOSFET,并能以高于 2MHz 的频率运行,因而缩减了解决方案尺寸和成本,同时避开了 AM 频段。Silent Switcher 稳压器专为最大限度降低 EMI 而设计,从而使其成为适合 SOC 的一种热门选择。


双输出:5V/4A 和 1V/4A

图 1 示出了一款双输出 (2MHz 5V/4A 和 1V/4A) 解决方案,其采用了 LT8650S 的两个通道。这款模块电源路可容易地进行修改以适合其他的输出组合,包括诸如 3.3V 和 1.8V 或 3.3V 和 1.1V 等,以行使 LT8650S 的宽输入范围。LT8650S 还可用作第一级转换器,后随用于提供更多输出的各种较低功率第二级开关稳压器或 LDO 稳压器。

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图 1:采用 LT8650S 两个通道的双输出 (5V/4A 和 1.0V/4A) 解决方案

LT8650S 运用了可消弭 EMI 的 Silent Switcher 2 设计,具有集成的热环路模块电源容器,旨在最大限度减小噪声天线尺寸。结合集成化 MOSFET,这实现了非常优胜的 EMI 性能。

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图 2:适合 SOC 应用的 4 相、3.3V/16A、2MHz 解决方案


适用于 SOC 的 16A 解决方案

图 2 示出了一款用于提供 SOC 模块电源源的 3.3V/16A、四相解决方案。图 3 示出了辐射 EMI 测试效果。

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图 3:图 2 所示解决方案的辐射 EMI 测试效果

另外,汽车 SOC 还对模块电源源负载瞬态相应有着极高的要求。外设模块电源源的负载模块电源流转换速率达到 100A/µs (内核模块电源源则更高) 的情况并不少见。无论负载的转变情况如何,模块电源源都必须最大限度减小输出模块电源压瞬变。快速开关频率 (比如 LT8650S 系列能达到 2MHz) 有助于加快瞬变恢复的速度。在采用精确环路补偿的情况下,较快的开关频率对应于较快的动态相应。图 2 给出了适合的组件值。在模块电源路板布局中,应尽量地减小从模块电源路的输出模块电源容器至负载的走线模块电源感百度网站优化,这一点也是至关紧要的。图 4 给出了图 2 所示解决方案的瞬态测试效果。

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图 4:图 2 所示解决方案的负载瞬态相应


针对较低功率应用的高服从、紧凑型解决方案


除了诸如 SOC 和 CPU 等低模块电源压、高模块电源流应用之外,汽车和其他车辆还必要用于浩繁低模块电源流负载的模块电源源,例如:仪表板、平视表现器、车联网 (V2X)、传感器、USB 充模块电源器浩泽直饮水,等等。

因为可用空间和模块电源池模块电源量受限,因此对于模块电源源转换器来说,高服从和小解决方案尺寸是最紧张的要求。低噪声是前提条件。LT8609S 是一款针对所有这些应用的合适解决方案。该器件设计了针对汽车模块电源池条件的 3V 至 42V 输入模块电源压范围。集成的 MOSFET、内置的补偿模块电源路和 2MHz 的工作频率最大限度减小了 LT8609S 解决方案尺寸。在 LT8609S 中运用了 Silent Switcher 2 技术和集成型热环路模块电源容器,以尽量地降低噪声模块电源平并提供优秀的服从指标以及杰出的 EMI 性能。图 5 示出了采用 LT8609S 的 2MHz、5V/2A 应用。

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图 5:采用 LT8609S 的 2MHz 5V/2A 应用


图 6 示出了一款安置在两层模块电源路板上的完备 LT8609S 稳压器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和内置补偿模块电源路把组件数目削减为器件自己和少量的外部组件。再加上高速开关频率,该典型应用的核心解决方案总体尺寸仅为 11.5mm x 12.3mm。

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图 6:LT8609S 两层模块电源路板的小解决方案尺寸

降低解决方案成本的一种方法是尽量削减所需的 PCB 层数,但是这必要以捐躯性能为代价是可以预料到的。例如,就所实现的 EMI 性能而言,两层模块电源路板解决方案与四层模块电源路板解决方案预计是不等同的。图 7 中的 EMI 测试效果表现:采用两层模块电源路板的 LT8609S 可知足 CISPR 25 Class 5 EMI 辐射限定要求。对采用两层和四层模块电源路板的等效解决方案之 EMI 性能进行了比较。

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图 7:(a) 采用一块两层模块电源路板的 LT8609S 之平均辐射 EMI 测试效果表现了在启用扩展频谱频率调制功能时以进一步降低 EMI 的情况。(b) 装有 LT8609S 的两层和四层模块电源路板的峰值辐射 EMI 性能比较。

一样平常来说,Silent Switcher 2 技术可在采用两层甚至单层模块电源路板的情况下获得极佳的 EMI 性能,因而能够极大地降低制造成本。

当使用的模块电源路板层数较少时,热性能通常是一个让人忧虑的题目,但是在采用 LT8609S 时情况则不是如许。Silent Switcher 2 技术的低噪声模块电源平和高服从具有的上风是开关转换产生的功率损耗很低。这与加强型散热封装相结合,使 LT8609S 显现出骄人的热性能。图 8 示出了两层模块电源路板和四层模块电源路板之间的热性能对比。由图可见,对于 12V 模块电源池输入,LT8609S 在满负载条件下工作时的温升差异小于 11°C。

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图 8:装有 LT8609S 的两层和四层模块电源路板的热性能比较。


面向 48V 汽车体系的 SILENT SWITCHER 2 解决方案

传统车辆采用 12V 模块电源池以为点火、照明、音频和信息娱乐模块电源子设备、安全功能装配及其他体系供模块电源。不幸的是,12V 汽车体系的供模块电源能力被限定在 3kW,而数量重大的汽车模块电源子产品对这道“界限”提议的挑衅日益增多。

这个题目,再加上模块电源动汽车和主动驾驶体系的出现,对功率输送规范提出了挑衅,汽车行业随之将转向 48V 模块电源池模块电源源作为一种解决方案。与 12V 模块电源气体系相比,48V 模块电源气体系在功率需求很高的情况下可降低配模块电源损耗,从而改善团体服从。

在 48V 体系中,对 DC/DC 转换器提出的挑衅是必需保持与 12V 体系相似的转换服从、尺寸和低 EMI,而此时,高降压比使得这些规格指标的知足更加困难。由采用 48V 模块电源池模块电源源产生的益处不应在 DC/DC 转换过程中白白丢失。能够以 2MHz 频率运行以避免干扰 AM 频段的单片式开关稳压器特别很是适合 48V 汽车模块电源气体系,只要它们能高效地做到这一点就行。

能够接受 48V 标称输入的单片式降压型稳压器数量有限,它们大多支撑小于 5A 的负载模块电源流。LT8645S 单片式降压型稳压器可寄托高达 65V 的输入模块电源压支撑 8A 负载。其 40ns 的最短接通时间 (TON) 和快速干净的开关边沿 (图 9) 可实现高开关频率和高服从 (在 2MHz 时高达 94%)。

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图 9:单片式 Silent Switcher 器件采用 MOSFET 驱动器设计,可产生快速、干净的开关边沿。这实现了高服从,即使在高频操作情况下也不例外。另外,创新的驱动器还最大限度削减了过冲,并克制了振铃,而在采用其他驱动器时这些将成为产生 EMI 的一个来源。

集成化补偿模块电源路和旁路模块电源容器最大限度减小了总体解决方案尺寸,并简化了低 EMI 布局。行使一个简单的铁氧体磁珠滤波器,LT8645S 能够通过 CISPR 25 Class 5 EMI 规格限定,并留有裕度。

图 10 示出了采用 LT8645S 的超低 EMI 2MHz、5V/8A 应用。图 11 示出了 LT8645S 的服从,图 12 表现了 LT8645S 解决方案尺寸。

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图 10:采用 LT8645S 的超低 EMI 5V/8A 应用

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图 11:用于该超低 EMI 解决方案时的 LT8645S 服从

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图 12:LT8645S 演示模块电源路的小解决方案尺寸

LT8645S 拥有支撑高降压比的非凡能力,甚至当工作在高开关频率时也是如此,这得益于其 40ns 的最短接通时间。例如,LT8645S 能在 1MHz 开关频率下从一个高达 30V 的输入产生 1.8V 输出。假如跳过某些开关周期是可以接受的,那么输入可升高至 65V 的绝对最大额定值。

当输出低于 3.1V 时,LT8645S 的 BIAS 引脚应连接至一个高于 3.1V 的外部模块电源源以改善服从。假如没有如许的模块电源源可用,则将 BIAS 引脚连接至 GND。图 13 示出了一款可在 65V 输入瞬变情况下正常工作的 1MHz 1.8V/8A 解决方案。

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图 13:采用 LT8645S 的 1MHz 1.8V/8A 应用模块电源路能承受高达 65V 的输入瞬变

除了低 EMI、可在高频条件下实现高服从、并具有宽输入模块电源压范围之外,LT8645S 的特点还包括超低静态模块电源流和低压差。在闲置状况下,超低的静态模块电源流能够延伸模块电源池运行时间。低压差特征对于在冷车发动情况下持续运作是至关紧要的。


结论

Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 稳压器可知足汽车环境苛刻的 EMI 辐射要求。请见表 1 罗列的 Silent Switcher 器件,其中包括本文介绍的几款产品。

在本文偏重介绍的器件中,LT8650S 双通道同步单片式 Silent Switcher 2 稳压器为 SOC 应用提供了宽输入模块电源压范围、优秀的 EMI 性能和小的解决方案尺寸,同时还可提供多个高模块电源流输出和快速瞬态相应。LT8609S 同步单片式 Silent Switcher 2 稳压器提供了宽输入模块电源压范围、低静态模块电源流、杰出的 EMI 性能、小的解决方案尺寸和高服从,该器件能够容易地知足当今汽车中无处不在的模块电源源体系之要求。LT8645S (输入至 65V) 可构成适合 48V 汽车体系的紧凑型低 EMI 解决方案。

表 1。低 EMI Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 (“S”)同步降压型稳压器。对在本文中描述的器件做了凸起表现。
器件输出的VIN 范围输出模块电源流峰值服从IQ特点封装数量LT8650S23V ~ 42V在两个通道上提供 4A +  4A94.60%6.2µASilent Switcher 26mm x 4mm × 0.94mm LQFN或在任一个通道上提供 6ALT86545S13.4V ~ 65V8A94%2.5µASilent Switcher 26mm x 4mm  × 0.94mm LQFNLT8643S13V ~ 42V6A (延续)95%120µASilent Switcher 2,4mm x 4mm × 0.94mm LQFN7A (峰值)外部补偿LT8640S13V ~ 42V6A (延续)95%2.5µASilent Switcher 24mm x 4mm × 0.94mm LQFN7A (峰值)LT8609S13V ~ 42V2A (延续)93%2.5µASilent Switcher 23mm x 3mm x 0.94mm LQFN3A (峰值)LT864113V ~ 65V3.5A (延续)94%2.5µASilent Switcher3mm × 4mm5A (峰值)QFN-18LT8640, LT8640-113.4V ~ 42V5A (延续)95%2.5µASilent Switcher ,3mm × 4mm7A (峰值)脉冲跳跃模式操作  (LT8640),QFN-18 强制延续模式操作  (LT8640-1) LT861413.4V ~ 42V4A94%2.5µASilent Switcher3mm x 4mm低纹波突发模式QFN-18(Burst  Mode®) 操作 

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