使用正确的DC / DC稳压器满足高级ADAS要求

电子

先进的驾驶员辅助系统（ADAS）和车内信息娱乐系统的普及使得车辆变成了需要多级无噪声直流导轨的复杂电子系统。然而，典型的车辆电池在其操作环境中远非稳定，需要设计人员密切关注电源系统设计。

ADAS系统包括自适应巡航控制，防撞，GPS，备用摄像头，车道偏离警告，稳定性控制和连接，而信息娱乐系统包括显示器和多媒体播放器。从汽车的12伏电池（在某些情况下甚至是24或48伏）调节这些功能的直流电源是一个挑战，因为电池输出噪音，电压尖峰，抛负载瞬态，极端温度和循环，通过狭窄的电子设备，炎热的地方，不得不忍受振动和冲击。

此外，调节电池输出以提供各种ADAS功能所需的多个DC轨的DC / DC转换器IC必须在恶劣的电气和环境条件下工作。它们还必须以高效率提供严格的调节，具有低静态电流和最小的EMI产生。

本文将介绍操作环境和条件，并介绍为帮助缓解问题而开发的汽车标准。然后，它将描述有助于满足汽车配电要求的电源调节器和DC / DC转换器，以及如何使用它们。

引擎盖下不是一个好地方
对于电子（和机械部件）而言，汽车对于电气，热，冲击/振动和可用空间这四个方面来说是一个具有挑战性和恶劣的环境。简要地看一下它们：

电气：电池的无条件轨道不是简单，稳定的直流电流源，与大多数电池一样; 相反，它受到冷启动电压下降（图1），由于“负载突降”引起的高压浪涌（当连接到交流发电机的负载突然断开时）（图2和表1），以及噪声和EMI / RFI。

图1：冷启动条件下的典型电池电压曲线与更良性应用中的电池输出几乎没有相似之处。（图片来源：德州仪器）

图2：典型的抛负载脉冲的特点是快速上升，下降速度较慢，时序可变。（图片来源：德州仪器）

[td]

参数	12 V系统	24 V系统
U 8	65 V至87 V.	123 V至174 V
R j	0.5Ω至4Ω	1Ω至8Ω
t d	40毫秒到400毫秒	100毫秒到350毫秒
t r

表1：12伏和24伏电池系统的未抑制的抛负载脉冲（此处由ISO7637-2：2004 [1] -5定义）的典型值。（图片来源：德州仪器）

因此，本地DC / DC稳压器必须处理这些现实，在宽输入电压（V IN）范围内工作，并且容许电池的反极性连接。此外，这些稳压器必须具有非常低的静态电流，以便在汽车被称为“关闭”时最大限度地减少电池消耗。

原因是这些ADAS（和其他）功能中的许多功能并没有与电池物理断开，而是使用“软”开/关，因此当“关闭”时实际上处于静止状态。总的来说，所谓的如果汽车未使用数周，它们消散的“吸血鬼动力”会耗尽电池电量。

散热：根据工作条件和探头位置，罩下温度范围可以从零下（冬季停放）到远高于150°C到200°C（图3）。虽然汽车的其他区域（如驾驶室）不会变热，但如果汽车停在阳光下，它们仍然可以看到相当高的温度。当温度超出25°C（77°F）至40°F（104°F）时，停放在阳光直射下的汽车内的温度可升至50°C（122°F）至75°C（167°）之间F）。

图3：雪佛兰Silverado以40英里/小时的速度爬山时在不同位置测量的车辆温度; 许多点超过150°C。（图片来源：Pelican Parts）

冲击/振动：机械冲击和振动是持续存在的; 基本的机械分析表明，更小，更轻的部件不太容易受到这些干扰的影响，并且如果需要它们也更容易缓冲和“减震”。此外，这些部件导致更小的电路板，其具有相应的优点。

尺寸：小尺寸具有另一个主要优点，与冲击/振动方面无关。鉴于汽车作为外壳的固定物理“包络”，找到定位ADAS功能电路的位置是很大的挑战，在很多情况下，它们是相关的传感器。虽然这些电路中的一些可以位于几乎任何空位，但是许多ADAS传感器和前端信号调节电路需要位于特定位置，即使支持电子设备可以位于其他地方。

汽车标准定义挑战
汽车有三个主要动力源; 电动（EV），混合动力EV（HEV），当然还有内燃机。它们还有各种尺寸，款式，功能和成本点。业界已经为电子元件，软件和子系统定义了风险和性能水平的标准。通过将基本集成电路（IC）限定为各种级别，设计人员知道他们正在获得构建块，可用于“构建”电路板，组件，子系统和具有定义性能的完整功能。

这种定义性能能力的主要标准是汽车安全完整性等级（ASIL）方案，这是一种由ISO 26262（道路车辆功能安全标准）定义的多级风险分类方法。最高级别是ASIL-D，代表最高程度的汽车危险，因此需要最高程度的保证以满足安全要求（图4）。按降序排列，最高级别的ASIL-D排名为-C，-B和-A级别，它们定义了中等危险程度和所需保证，最后以ASIL QM的排名结束，以确定没有汽车危害的应用程序，以及因此没有管理的安全要求（例如，无线电）。

图4：ASIL-D通过ASIL-A在车辆安全性，操作，控制和其他因素的关键性方面对汽车功能进行了分类，ASIL-D是最严格的。（图片来源：Mentor Graphics）

为ADAS功能而设计的组件供应商（包括DC / DC稳压器）测试并证明其设备满足并超过ASIL性能要求的特定级别。这些包括但不限于温度，振动和故障模式。

另一个相关标准AEC-Q100是由汽车电子委员会（AEC）开发的一套IC认证测试序列。它为新产品和升级产品设定了部件认证和质量体系标准。AEC-Q100还建立了温度等级，并为组件定义了等级指定等级，等级0是最宽范围的（表2）。

[td]

年级	环境工作温度范围
0	-40°C至+ 150°C
1	-40°C至+ 125°C
2	-40°C至+ 105°C
3	-40°C至+ 85°C

表2：温度的AEC-Q100额定值建立基本操作范围，并带有相应的后缀。（图片来源：赛普拉斯半导体公司）

满足ADAS要求的DC / DC稳压器
ADAS功能的挑战性要求要求IC（包括DC / DC稳压器）满足此应用在电气，热量和尺寸方面的要求。这些组件致力于满足与电气，热，冲击/振动和可用空间方面相关的多个（如果不是全部）汽车ASIL目标。

例如，MAX16930从美信集成是36伏，静态电流（图5）的DC / DC调节器图仅有20微安（μA）。这款汽车级三输出开关器件集成了两个同步降压控制器和一个异步升压“预升压”控制器，提供多达三个独立控制的电源轨：一个具有可调输出电压的预升压; 降压控制器，具有固定的5伏输出或可调节的1至10伏输出; 和一个降压控制器，具有固定的3.3伏输出或可调节的1至10伏输出。

图5：MAX16930多输出降压稳压器的预升压功能使其能够在冷启动期间工作，此时电池电压降至较低的单位数值（黄色）。（图像来源：Maxim Integrated）

MAX16930采用3.5伏至36伏的宽范围电源轨工作，而预升压可将工作电压降至2伏（自举模式），这是冷启动性能所需（图5，再次）。降压控制器和预升压器均可提供高达10安培的输出电流，并可独立控制。用户可调节的开关频率，从200 kHz到2.2 MHz，并具有可选的扩频操作，可确保无AM波段干扰。

MAX16930提供多种时钟设置选择，使设计人员能够最大限度地减少与IC时钟引起的干扰相关的问题，以及多个系统时钟混频所产生的拍频。用户必须决定三种频率功能模式：

基本固定频率操作，以用户定义的频率。
跳过模式，在负载较轻时禁用时钟，仅在需要时调用以维持输出电压调节。
与外部时钟同步。IC可以在这些模式中“即时”切换，但这需要更多的IC管理软件。

该IC提供的另一个选择是通过在标称频率值附近随机抖动时钟来调用扩频时钟以最小化在单个频率处发生的时钟源EMI。不希望的EMI能量分布在更宽的频谱上，但在任何单一频率下都具有较低的峰值幅度。

用户还必须在系统设计阶段决定内部线性稳压器（LDO）的“值”，可以通过将其连接到外部电源轨来旁路。

一方面，LDO输出非常安静，可用于提供需要最小轨道噪声的小型局部负载; 另一方面，它的效率低于MAX16930内的开关稳压器。

为了解决占位面积，一种常见的技术是增加单个IC的不同输出的数量。的LT8603从模拟器件是其中结合了两个高输入电压降压型开关稳压器，一个低输入电压降压调节器，和一个升压控制器，都在一个6×6毫米封装四输出装置。

升压控制器配置为提供V IN电源，即使升压输入电压低于稳压输出电压，IC也会产生三个稳压输出，例如在冷启动情况下（图6）。

图6：LT8603可配置为按照规格运行，并提供完整的直流输出，即使是冷启动条件。（图片来源：ADI公司）

该IC采用高达42伏的电源轨工作，可在250 kHz至2.2 MHz的用户选择频率下进行切换，以最大限度地降低EMI。辐射EMI（用于CISPR 25辐射发射测试，具有5级峰值限制）低于允许限值（短水平段）（图7）。

图7：LT8603辐射EMI用于CISPR 25辐射发射测试，使用14伏电源和2 MHz开关，具有5级峰值限制，表明其发射低于允许限值（短水平段）。（图片来源：ADI公司）

该IC的四个通道独立供电，设计人员必须决定连接它们的方式，以满足系统和电路目标。例如，升压输出可配置为向降压转换器提供输入电压，即使升压输入电压低于稳压降压输出，也会产生三个严格调节的输出，这可能发生在冷启动情况下。但是，升压模式控制器可以由降压控制器输出驱动或配置为SEPIC转换器，在这种情况下，IC提供多达四个严格调节的输出。

四个通道的开关频率范围是设计人员必须确定的另一个因素，这必须在选择振荡器频率之前完成，振荡器频率可以通过250 kHz至2.2 MHz的单个电阻设置。较低的频率通常提供更好的效率和更宽的输入电压工作范围，这是由于更低的开关损耗和对时序约束的敏感性较低，例如最小的接通和断开时间。

然而，更高的开关频率允许使用更小的元件并使开关相关的噪声远离敏感的频带，例如AM无线电。缺点是效率降低。

为高性能ADAS传感器供电
有一些ADAS功能具有高性能传感器前端，因此需要比大多数开关降压调节器所能提供的更低噪声或更快的瞬态响应。Maxim MAX15027低压差线性稳压器（符合AEC-100 Grade-1标准）专为这些情况而设计。它的输入电压低至1.425伏，可提供高达1安培的连续输出电流，最大压差仅为225毫伏（mV）。其宽带宽支持快速瞬态响应，因此在输出端仅使用4.7微法（μF）陶瓷电容器，在500 mA负载阶跃时将输出电压偏差限制在15 mV。

LDO最佳性能的一些预防措施
尽管MAX15027是LDO，并且是最简单的功率调节器拓扑之一，但仍需采取一些预防措施。首先，1μF陶瓷输入电容和4.7μF陶瓷输出电容必须是高质量的，具有毫欧范围内的低ESR; 如果ESR在欧姆或更高的数量级，则LDO的线路和负载瞬态响应将受到影响，并且可能存在内部LDO环路稳定性和可能的自激振荡的问题。

其次，印刷电路板布局必须适应散热和散热问题，因为与开关稳压器相比，LDO具有相对较高的功耗与封装尺寸的比率。因此，MAX15027的TDFN封装在其下侧有一个外露的导热垫，以确保进入印刷电路板的低热阻路径。该路径将大部分热量带离IC，使印刷电路板成为有效的散热器。裸露焊盘应连接到大型接地层，以获得最佳的散热和电气性能。

但是，这种孤立考虑的方法是必要的，但还不够。使用热模型对于确保附近的IC和其他组件不会假设它们可以使用印刷电路板的相同铜层来满足其自身的散热器需求至关重要，这使得总热负荷超出所选择的冷却策略所能提供的范围。

这种策略通常始于热传导远离IC通过焊盘并进入印刷电路板层，然后在大多数情况下通过远程定位的散热器或冷板进行对流。这种热源“拥挤”可以抵消从IC的下侧导热垫开始的基本冷却计划。

结论
ADAS和信息娱乐系统的使用意味着必须解决其独特且通常具有挑战性的直流电源需求。这推动了IC和其他元件的开发和可用性，这些元件尽管极端温度和DC输入轨电压范围仍然可以工作，同时具有非常低的静态电流消耗。这些IC也必须很小，以降低它们对振动和冲击的敏感性，幸运的是，它还支持紧凑的ADAS功能电路设计。

电源稳压器供应商现在提供各种ADAS优化开关和LDO DC / DC器件，这些器件符合严格的行业标准，简化了设计挑战并简化了BOM决策。

王栋春 · 2018-9-11 23:24:17

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林昕宇 · 2020-9-27 07:59:08

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