在汽車領域，電子系統已變得越來越密集，互連程度也越來越高。這些復雜系統需要在越來越小的空間里放入電源轉換器，導致各敏感系統彼此靠近，EMI（電磁干擾）的問題在所難免。

但是，要降低電源中的EMI是電源管理一項日益嚴峻的設計挑戰。例如，作為電源轉換器的SMPS（開關式電源）就是一種典型的電磁干擾源，因此，優化電源轉換器，抑制EMI的影響已成為每個汽車系統設計工程師需要面對的一個關鍵考量。

電源管理的前沿趨勢

德州儀器（TI）升壓和多通道DC/DC副總裁兼總經理Cecelia Smith表示，隨著高級駕駛輔助系統（ADAS）、汽車信息娛樂系統與儀表組中電子元件的增加，降低EMI已迫在眉睫。而電源管理的一些趨勢值得工程師們予以關注：

·低電磁干擾：盡量減少對其他系統組件的干擾，并簡化電源設計和鑒定流程；·高功率密度：在提高功率密度的同時降低系統成本，實現更多的系統功能；·低IQ（靜態電流）：延長電池壽命與儲存時間，實現更多功能，并降低系統成本；·低噪聲高精度：降低或轉移噪聲可簡化電源鏈并提高精密模擬應用的可靠性；·隔離：在高壓和關鍵安全應用中實現更高工作電壓和更高可靠性。

什么是EMI？

EMI是一種電磁能量，是開關電流和電壓的不良副產物，它來自多種物理現象，可在嚴格的EMI測試中呈現出來。

以大多數應用普遍使用的SMPS為例，雖然其效率比線性穩壓器更高，但效率的提高是有代價的，因為其中的MOSFET開關會產生大量EMI，進而影響電路的可靠性。EMI主要來自不連續輸入電流產生的輸入電壓紋波、開關節點上的快速壓擺率，以及由電源環路中寄生電感引起的開關邊沿額外振鈴。如果沒有適當的緩解措施，上述現象就可能影響電源、負載或相鄰系統的運行。

SMPS中的EMI源

在要求電磁兼容性（EMC）的汽車系統中，設計時應盡量降低干擾源組件的干擾性和易受干擾的組件的敏感性。當終端設備制造商把來自不同供應商的組件集成在一起時，必須確保干擾性組件和易受干擾的電路互不影響，唯一方法是建立一套共同規則，使前者的干擾性限制在一定范圍內，降低對易受干擾電路的影響。

這些規則是根據業界通用規范（如汽車行業的國際無線電干擾特別委員會CISPR 25和適用于多媒體設備的CISPR 32）建立的。因此，根據CISPR標準降低EMI對設計合規至關重要。

降低EMI常規方法遇挑戰

降低EMI是一項需要進行各種權衡的棘手工作。降低EMI的常規方法包括使用大型且昂貴的濾波器或降低開關壓擺率，但這會直接影響轉換效率。

通常使用基于無源電感電容器（LC）的EMI濾波器來減小輸入紋波。雖然LC濾波器可實現滿足EMI規范所必需的衰減，但代價是使系統尺寸和成本增加，降低了總功率密度。

此外，用于輸入EMI濾波器設計的大體積電感器會因其自諧振頻率較低而在高于30MHz頻率范圍無法實現衰減，還需要鐵氧體磁珠等附加組件來處理高頻衰減，進一步增加了元件數量、體積和成本。

解決EMI問題的另一種傳統方法是擴頻（或時鐘抖動）來調制SMPS的開關頻率，以降低與基本開關頻率及其諧波相關的頻譜峰值，但代價是使本底噪聲增大。

采用擴頻技術前后的SMPS頻譜

不管怎樣，鑒于EMI可能在后期嚴重阻礙設計進度，浪費大量時間和資金，因此必須在設計之初就考慮EMI問題。不過，隨著電源效率提高帶來的設計壓力不斷提升，通過提高開關頻率降低尺寸和成本，或通過增大壓擺率來提高效率使得EMI問題變得更加嚴重。因此，有必要找到一種不影響電源設計、同時具有成本效益且易于集成的EMI緩解技術。

平衡效率、EMI、尺寸和成本的創新技術

TI寬輸入電壓及降壓開關電源產品線經理Ganesh Srinivasan介紹說，為了應對EMI挑戰，必須采用有助于降低低頻和高頻EMI的創新解決方案和精確的建模技術。其中包括有助于減小濾波器尺寸和降低成本的創新擴頻技術；減少設計時間并降低設計復雜性的集成式旁路電容器、集成型有源EMI濾波器等。體現TI領先的EMI創新的產品包括降壓控制器LM25149-Q1、同步降壓轉換器LMQ61460、充電端口控制器TPS25850-Q1、非同步升壓轉換器LM5157-Q1和隔離式DC/DC電源UCC12050。

·DRSS技術加集成有源EMI濾波器：首款集成有源EMI濾波器（AEF）的先進DC/DC控制器LM25149-Q1可以幫助工程師優化汽車電子產品中電源的尺寸和EMI。有源EMI濾波器能夠檢測輸入端的噪聲和紋波電壓，在DC輸入母線上注入與其相位相反的電流，從而消除電流或電壓干擾，降低EMI噪聲和紋波電壓，顯著改善低頻頻譜輻射。

LM25149既具有有源EMI濾波器，同時也采用了另一項EMI創新——雙隨機擴頻（DRSS）技術，兩者結合可以在整個EMI測試頻段中提供業界領先的EMI性能。

采用LM25149可以避免對AM和FM頻段的干擾，使得駕駛者不受音頻噪音的影響，同時避免EMI干擾損害汽車內部的電子器件，引起整個車身系統包括娛樂系統的失效。

據介紹，DRSS技術結合了低頻三角調制及高頻偽隨機調制兩種調制方式，優化了低頻和高頻EMI性能。

DRSS和有源濾波器組合可以在高達400GHz的條件下實現55dBμV的降幅，進一步改善電源的EMI性能。此外，有源EMI濾波器中的有源元件會放大感應到的信號，并通過注入電容器注入適當的反極性信號來顯著降低輸入線上的總體干擾。這減輕了所需無源元件的濾波負擔，從而減小了這些元件的尺寸、體積和成本。其外部EMI濾波器的面積和體積分別可縮減近50%和75%。

降低EMI噪聲同時縮減體積

另一款集成DRSS EMI技術的產品是LM5157-Q1非同步升壓轉換器，能夠幫助工程師滿足CISPR 25的車規EMI標準。其開關頻率為2.2MHz，可避免干擾AM頻段，實現縮小整個電源尺寸的解決方案。同時，該產品具有正負30%的頻率同步范圍，能夠簡化EMI濾波器設計。LM5157適用于各種應用的各種拓撲，包括升壓、SEPIC或反激式拓撲，給客戶帶來更多樣的拓撲選擇。其1.5V最低輸入電壓支持更嚴苛的汽車冷啟動功能，可用于各種汽車應用的多種配置（升壓、SEPIC或反激式轉換器）。借助高達6A開關電流，工程師可以在通常需要控制器的應用中將其用作轉換器，從而減少BOM和器件數量。

·集成式輸入旁路電容器：由于更高的開關節點振鈴，較大的輸入電源環路會導致在高頻頻帶上產生更高的輻射。在器件封裝內集成高頻輸入去耦電容器有助于更大程度降低輸入環路寄生效應，從而降低EMI。LMQ61460同步降壓轉換器的汽車版本將鍵合線封裝改為HotRod 封裝并集成了一個旁路電容，經過優化的引腳排列有助于實現更少的開關節點振鈴，進一步降低電源帶來的EMI干擾，適用于各種環境惡劣的汽車環境。LMQ61460提供3V-36V寬輸入電壓范圍，簡化的輸入浪涌保護設計可耐受42V瞬態輸入電壓。由于集成了輸入旁路電容，該產品可以大幅度降低封裝中的基線電感，同時降低輸入紋波，從而提供更良好的EMI表現。

據介紹，所謂HotRod 封裝是一種基于引線框的倒裝芯片封裝，是將硅片翻轉直接放在引線框上，從而更大程度地減小鍵合線開關電流在引腳上引起的寄生電感。除改善電源環路電感之外，HotRod 封裝還有助于降低電源路徑中的電阻，從而提高效率并減小解決方案尺寸。除了減小輸入電源環路電感外，輸入高頻電容器的封裝集成還有助于使該解決方案不易受終端系統電路板布局布線變化的影響。

HotRod 封裝的結構比鍵合線封裝更加可靠 ·車規級高集成雙口USB：TPS25850-Q1是新一代雙端口、3A DC/DC充電端口控制器，開關頻率為2.2MHz，可大大減少輸出濾波電感，有助于汽車工程師簡單地實現更為緊湊的充電方案。針對這款產品，TI為工程師提供400KHz和2.2MHz的參考設計，可以使工程師復制并準確達到2.2MHz和400KHz頻率，能夠通過嚴格的EMI測試并減小外部電感器的尺寸，從而降低開關頻率所造成的干擾。采用TPS25850-Q1的檢測和控制USB Type-C和電池充電1.2規范端口的高度集成式器件可將方案尺寸縮減37%；智能熱管理可降低互聯器件中發生過熱關斷的風險，提升用戶體驗。

小心解決EMI難題

Cecelia Smith表示，汽車電子應用的快速發展為電源轉換器的設計帶來了巨大的壓力。在設計電源轉換器時必須格外小心，以符合標準機構規定的限制，從而確保關鍵系統可以在充滿噪聲的環境中安全運行。

上述針對汽車應用的創新主要涵蓋ADAS、娛樂系統、混合動力/電動和動力總成系統，以及車身電子元件和照明系統等。創新解決方案將幫助工程師滿足EMI標準，同時提高設計的功率密度，為設計帶來更大的便利性。

原文標題：技術|未來汽車的電源管理發展趨勢研究

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責任編輯：haq