凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 ADI 公司)    電源產(chǎn)品部    產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)

背景信息

到 2020 年，ADAS 市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 600 億美元 [數(shù)據(jù)來(lái)源：Allied Market Research]。這意味著，在 2014 年到 2020 年這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 22.8%。顯然，這對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品而言，意味著巨大的機(jī)會(huì)！

ADAS 是“高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (Advanced Driver Assistance Systems)”的英文首字母縮略語(yǔ)，在今天的很多新型汽車中都能經(jīng)常見到。這類系統(tǒng)常常方便了安全駕駛，如果系統(tǒng)檢測(cè)到來(lái)自周圍物體的風(fēng)險(xiǎn)，例如不守規(guī)矩的行人、騎行者甚至處于不安全行駛方向的其他車輛，就會(huì)向駕駛員發(fā)出警報(bào)。此外，這類系統(tǒng)通常還會(huì)提供動(dòng)態(tài)功能，例如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道偏離警告、駕駛員犯困監(jiān)視、自動(dòng)剎車、牽引力控制和夜視。因此，在當(dāng)前這 10 年的后半段，消費(fèi)者對(duì)安全的日益關(guān)注、對(duì)駕駛舒適度的需求以及不斷增加的政府安全法規(guī)，成了汽車 ADAS 增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

這種增長(zhǎng)的到來(lái)必然伴隨著對(duì)這個(gè)行業(yè)的挑戰(zhàn)，其中包括價(jià)格壓力、通貨膨脹、測(cè)試這類系統(tǒng)的復(fù)雜性和困難。此外，歐洲是最具創(chuàng)新性的汽車市場(chǎng)之一，這一點(diǎn)應(yīng)該不足為奇，因此，歐洲已經(jīng)看到，ADAS 正大舉進(jìn)入市場(chǎng)，歐洲汽車行業(yè)的客戶在大量采用 ADAS。不過(guò)，美國(guó)和日本汽車制造商也沒(méi)有很落后。汽車行業(yè)的最終目標(biāo)是，提供無(wú)人坐在方向盤后面的自動(dòng)駕駛汽車！

系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

一般而言，ADAS 系統(tǒng)中包括某種處理器，以收集來(lái)自汽車中無(wú)數(shù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)，然后處理這些數(shù)據(jù)，以便能夠以容易理解的方式方便地提供給駕駛員。此外，這類系統(tǒng)通常直接由汽車的主電池供電，其標(biāo)稱電壓為 9V 至 18V，不過(guò)由于系統(tǒng)中的電壓瞬態(tài)而可能高達(dá) 42V，以及在冷車發(fā)動(dòng)情況下可能低至 3.5V。因此，很顯然的是，這類系統(tǒng)中的任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最低限度都必須能夠應(yīng)對(duì) 3.5V 至 42V 的寬輸入電壓范圍。

很多 ADAS 系統(tǒng)都是用 5V 和 3.3V 軌給各種模擬和數(shù)字 IC 產(chǎn)品供電，然而，通常使用的處理器 I/O 及內(nèi)核電壓的運(yùn)行要求卻處于低于 2V 的范圍，而且有可能低至 0.8V。此外，這類系統(tǒng)常常安裝在汽車中某一空間和散熱都受限的地方，因此限制了可用于冷卻用途的散熱器的使用。盡管人們普遍使用高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接從電池產(chǎn)生 5V 和 3.3V 電源軌，但是在今天的 ADAS 系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器還必須以 2MHz 或更高的頻率切換，而不是過(guò)去低于 500kHz 的開關(guān)頻率。這種變換背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是，需要占板面積更小的解決方案，同時(shí)保持高于 AM 頻段，以避免任何潛在的干擾。

最后，似乎設(shè)計(jì)師的任務(wù)還不夠復(fù)雜，他們還必須確保 ADAS 系統(tǒng)符合汽車中的各種抗噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。在汽車環(huán)境中，對(duì)有些區(qū)域，低熱耗散和高效率是很重要的，在這些區(qū)域，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有很大的影響。

有兩種類型的 EMI 輻射：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型輻射依賴連接產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線。既然這種噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器處，那么如之前已經(jīng)提到的那樣，通過(guò)良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常常在開發(fā)過(guò)程相對(duì)較早的階段，就能夠確保符合傳導(dǎo)型輻射要求。

然而，輻射型輻射就完全是另外一回事了。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一個(gè)天線，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純粹的正弦波或 DC 電壓，任何信號(hào)都產(chǎn)生遍布信號(hào)頻譜的噪聲。即使經(jīng)過(guò)了仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試之前，電源設(shè)計(jì)師仍然從來(lái)無(wú)法確知輻射型輻射將會(huì)多嚴(yán)重。而且，在設(shè)計(jì)從根本上完成之前，無(wú)法正式進(jìn)行輻射型輻射測(cè)試。

濾波器常常用來(lái)衰減某一頻率或某一頻率范圍的噪聲強(qiáng)度以降低 EMI。通過(guò)增加金屬屏蔽和磁性屏蔽，可以衰減通過(guò)空間 (輻射型) 傳播的那部分能量。通過(guò)增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以控制依賴 PCB 走線 (傳導(dǎo)型) 的那部分能量。EMI 無(wú)法完全消除，但是可以衰減到一個(gè)其他通信和數(shù)字組件可以接受的水平。此外，幾個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)也要求執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)，以確保符合 EMI 要求。

與通孔式組件相比，采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能更高。然而，這種改進(jìn)的速度慢于開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)工作頻率提高的速度。開關(guān)轉(zhuǎn)換速度提高，會(huì)使效率提高、最短接通和斷開時(shí)間縮短，但是諧波分量增大了。開關(guān)頻率每增大一倍，在開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間等所有其他參數(shù)保持恒定時(shí)，EMI 惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個(gè)一階高通濾波器，如果開關(guān)頻率提高 10 倍，輻射就增大 20dB。

熟練的 PCB 設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)很小的熱環(huán)路，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中存儲(chǔ)充足能量所需的器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了熱環(huán)路的最小尺寸。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將全面減弱濾波器的作用，因?yàn)橹C波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越有效。

具低 EMI/EMC 輻射的雙 DC/DC 轉(zhuǎn)換器