資料介紹
選擇汽車電源集成電路時,常常忽視的不是數(shù)據(jù)表上的規(guī)格,而是元器件在最終設(shè)計中的工作方式。這是因為數(shù)據(jù)表中涵蓋了集成電路的性能,但并沒有說明元件如何在閉環(huán)系統(tǒng)中工作,以及如何與系統(tǒng)中的其他元件相互作用。在為汽車設(shè)計選擇前端電源時,這一點顯得尤為重要。與電池直接連接的電源需要效率高、尺寸小而且非常安靜。為什么要這樣呢?
TI的新型LM53635-Q1穩(wěn)壓器不僅僅是一個轉(zhuǎn)換器,它還是采用對惡劣環(huán)境敏感的先進處理器和傳感器將變速箱、引擎和制動等汽車電動機械系統(tǒng)嘈雜、惡劣環(huán)境與高度復雜的電子控制單元(ECU)連接起來的電源調(diào)節(jié)電路。前端電源還需要管理雙電池和負載突降等故障和用戶情況。本文將說明在設(shè)計汽車電源時需考慮哪些問題,以及為了更好地管理挑戰(zhàn)需要為設(shè)計添加哪些功能。本文還將介紹TI的新產(chǎn)品36V、2.1MHz同步降壓穩(wěn)壓器。
一輛現(xiàn)代汽車上有許多節(jié)約燃油的功能;其中一項功能就是啟停操作。當汽車排隊等候或者等紅綠燈時,汽車停下會激活啟停功能,關(guān)閉發(fā)動機以節(jié)約燃油。另一種稱為冷啟動的情況會對系統(tǒng)造成相似的電子負載。發(fā)動機的啟動會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的負載,引起電池電壓的下降。
在啟停或冷啟動的情況下,電壓會突然大幅下降,使降壓轉(zhuǎn)換器失去作用。在一些情況下,或許要在電路中使用升壓轉(zhuǎn)換器來支持系統(tǒng)。如果設(shè)計的電源支持電壓突然降低,就可以節(jié)省升壓的支出,以及與增加的元件相關(guān)的成本、空間和功耗。
接近100%的占空比、非工作時間非常短和低導通電阻高端場效應晶體管(FET)電阻的組合使得LM53635-Q1(見圖1)能夠在滿負載和全工作溫度范圍條件下支持電壓降至0.6V以下,同時為下游電源保持穩(wěn)壓功能,而不增加設(shè)計的復雜程度。
圖1:LM53635-Q1電壓降
由于汽車中使用的線束日益復雜、系統(tǒng)中的ECU節(jié)點數(shù)量不斷增加等原因,提供低電磁干擾(EMI)的電源變得更加重要。每一個線束和ECU都會產(chǎn)生在汽車周圍傳播的噪聲,影響其他應用??紤]到安全應用數(shù)量不斷增加,低電磁干擾功能也備受期待。TI在設(shè)計LM53635-Q1時采用了幾項技術(shù)來降低電磁干擾。
一項技術(shù)是根據(jù)LM53635-Q1調(diào)節(jié)和過濾使用的被動元件的最佳位置進行設(shè)計封裝布局。如圖2所示,使用的引腳使得高頻輸入電容(在開關(guān)節(jié)點兩側(cè)接地)呈對稱分布,GND與開關(guān)之間產(chǎn)生的電感降低,從而去除噪聲。
圖2:高頻CIN電容位置
另外,以特定的方式進行封裝,能夠去除封裝內(nèi)部的寄生回路電感和電容,降低開關(guān)節(jié)點振鈴噪聲,開關(guān)節(jié)點振鈴是產(chǎn)生噪聲的主要原因(見圖3)。如果能在源頭上降低噪聲,則無需解決增加元件引起的問題。
圖3:LM53635-Q1的開關(guān)節(jié)點
降低系統(tǒng)噪聲的另一項技術(shù)是展頻,展頻能夠調(diào)節(jié)中心開關(guān)頻率(此案例中為2.1MHz),抑制諧波和子諧波。展頻,正如其名稱所示,對降低整體噪峰非常有效,但不會影響噪底。但是,因為展頻能夠處理高頻諧波,有助于滿足通常非常嚴格的原始設(shè)備制造商(OEM)的電磁干擾標準,使印刷電路板設(shè)計更簡單,降低濾波元件的尺寸和成本。
圖4為30MHz至108MHz頻帶的LM53635-Q1,左圖為展頻關(guān)閉,右圖為展頻開啟。
為滿足CISPR25第5類限制(最嚴格的規(guī)范)而消除300MHz至108MHz電磁干擾
圖4:使用展頻抑制高頻諧波
需要克服的主要挑戰(zhàn)之一是因空間限制和周圍環(huán)境造成的發(fā)熱問題。今天許多汽車設(shè)計常常集成到用于機械功能的已有的外形和尺寸當中,或僅僅集成到汽車設(shè)計的空閑空間中。后視鏡就是一個很好的例子。在過去,后視鏡是手動操作的簡單設(shè)備,但現(xiàn)在卻集成了越來越多的電子器件,實現(xiàn)照相機等新功能??紤]到太陽照射熱和后視鏡的外殼材料(通常是塑料),印刷電路板上電子器件的溫度能達到105℃。電源要小到能夠管理集成的電子器件,同時還需要具備很高的效率,不會引起自身發(fā)熱。TI設(shè)計的LM53635-Q1效率高,能夠降低損耗,并以2.1MHz頻率工作,讓電源所需其他元件的尺寸盡可能小,從而管理熱量和尺寸問題。參見圖5。
圖5:LM53635-Q1以2.1MHz工作時的效率
保持質(zhì)量對于汽車設(shè)計至關(guān)重要,在設(shè)計安全相關(guān)系統(tǒng)時尤其如此??珊感酝强煽啃缘膯栴}之一。為了提高焊縫質(zhì)量,可以使用多項技術(shù);其中一項技術(shù)為可潤濕側(cè)翼。參見圖6??蓾櫇駛?cè)翼是在封裝邊沿切割出空腔的工藝,使得引腳側(cè)能夠進行更多可視潤濕,便于光學檢測。該技術(shù)非常有用,因為無需對封裝進行X射線檢測即可確保焊接充分,同時保障了焊縫的完整性。
圖6:LM53635-Q1使用的可潤濕側(cè)翼工藝
正如本博文前面強調(diào)的,在設(shè)計汽車電源時還需要考慮很多問題,需要考慮為設(shè)計增加哪些功能使所面臨的挑戰(zhàn)更易于管理。只有理解這些問題后,才能實現(xiàn)更快速的設(shè)計、更小的解決方案和更低的成本。
(mbbeetchina)
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