如何解决汽车电气化下的新型安全隐患?Silent Switcher技术这样降低EMI

2021-12-13 16:45:08 来源:ADI公司
在全球性的控碳减排趋势下,发展新能源汽车成为了应对气候变化、优化能源结构的重要战略举措。根据工信部近日公布的《中国汽车产业发展年报(2021)》显示,2017年,新能源汽车全球销量首次突破100万辆;2020年,新能源汽车在全球汽车市场大幅下滑的大背景下,逆势增长,销量突破300万辆。其中,2020年,我国新能源汽车销量达到了136.7万辆,同比增长了10.9%,连续三年销量超过100万辆,呈持续高速增长态势,连续六年位居全球第一。
 
随着汽车电气化浪潮一同到来的,是对车内电子系统电磁干扰(EMI)的更高要求。汽车应用对EMI事件尤其敏感,而在由中央电池、捆绑线束、各种感性负载、天线以及与汽车相关的外部干扰构成的嘈杂电气环境中,EMI却是很难避免的。由于安全气囊配置、巡航控制、刹车和悬架等多种关键功能控制都涉及到电子设备,一旦出现问题就可能威胁到生命安全,因此必须保证EMI兼容性,绝不容许因外部干扰而出现误报或误触发。
 


由7成因起底,Silent Switcher®从根源解决汽车EMI问题

汽车电池电压转换结构中,开关稳压器作为通常情况下输入电源总线上的第一个有源部件,对整个转换器电路的EMI性能有着重要影响。
 
以图一所示的降压稳压器为例,在M1闭合而M2断开时,交流电流在蓝色实线所示回路中流动;当M1断开而M2闭合时,交流电流在绿色虚线所示回路中流动。产生最高EMI的是红色虚线所示回路,此回路流过的是全开关交流电流,电流从零切换至峰值,然后再回到零,因此它有最高的交流电流和EMI能量。其中红色虚线回路通常称为热回路,导致电磁噪声和开关振铃的是热回路中的高di/dt和寄生电感,这是因为,在电路工作时,开关瞬变通过寄生电阻、电感和电容的耦合作用产生高频谐波。
 
 
图1. 同步降压稳压器拓扑
 
通过以上分析,传统方案往往通过以下方式来降低EMI:

  • 尽量减少PCB上热回路的面积,并降低电容和电感自身及PCB走线引入的寄生阻抗。这种方式对Layout和器件参数有要求,而且改善EMI的效果比较有限;
  • 通过减慢内部开关驱动器或外部添加缓冲器,降低MOSFET的开关速度。这种方式会增加开关损耗,降低转换器的效率;
  • 采用展频(SSFM)技术,使EMI能量被打散分布在电路的整个频域内,但这样会在已知范围内引起系统时钟抖动;
  • 采用添加滤波器或屏蔽的办法来降低EMI, 但这需要更多的外部元件和电路板面积。
 
可以看出,以上方案或多或少都存在一些额外的负面影响,不能很好地解决EMI问题。为此,ADI专为低EMI场景推出了Silent Switcher技术,它采用两个对称分布的输入热回路。根据右手定则,这两个回路产生磁场方向是相反的,能量相互抵消,从而电气回路对外没有净磁场。因此,Silent Switcher技术无需降低MOSFET的开关速度,集高效率、高开关频率和低EMI于一体而无任何弊端。
 
 
图2. Silent Switcher拓扑(右图)
 

基于Silent Switcher技术打造低EMI电源解决方案

目前,ADI的Silent Switcher技术已经发展到第2代——其对Layout的敏感性更低,外部元件更少,并能带来更低的EMI。LT8650S就是一款采用了Silent Switcher 2技术的双通道降压型稳压器。该器件3 V至42 V输入电压范围使其成为汽车应用的理想选择,因为汽车应用必须胜任冷启动和启停场景下的调节,最低输入电压低至3 V,电源切断瞬变超过40 V。如图3所示,该器件采用双通道设计,由两个高压4 A通道组成,提供低至0.8 V的输出电压,从而可以驱动目前市场上电压最低的微处理器内核。开关频率为2 MHz时,其同步整流拓扑可实现高达94.4%的效率,而在空载待机以及两个通道都打开的条件下,突发工作模式(BurstMode®)保持静态电流低于6.2 µA,因此非常适合始终开启的系统使用。
 
 
图3. 2 MHz时提供5 V、4 A和3.3 V、4 A输出的LT8650S简化原理图
 
LT8650S的开关频率可以在300 kHz到3 MHz范围内进行编程,并且在整个频率范围内都支持同步。低至40 ns的最短导通时间可在开关频率为2 MHz时,在高压通道上实现16 VIN到2.0 VOUT的降压转换。其独特的Silent Switcher 2架构使用两个内部输入电容以及内部BST和INTVCC电容,以将热环路面积减至最小。结合严格受控的开关边沿和集成接地层的内部结构,并用铜柱代替键合线,LT8650S的设计大大降低了EMI/EMC辐射。图4显示了输出辐射的特性。改进的EMI/EMC性能对电路板布局不敏感,即使使用2层PCB时也是如此,从而可以简化设计并降低风险。在整个负载范围内,开关频率为2 MHz时,LT8650S可以轻松符合汽车CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。还可以使用展频(SSFM)进一步降低EMI水平。
 
图4. LT8650S辐射EMI性能图
 

小结

随着汽车电气化进程的日益提速,车载电子系统的复杂程度也在不断变化,但无论设备需要的电压和电流电平怎么改变,对低 EMI/EMC辐射的要求却永远需要。ADI的Silent Switcher技术可以在不影响电源性能和增加外部元器件的前提下有效地降低EMI,可以从设计之初就降低电源EMI辐射的,保障电动汽车行驶安全。
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