汽车电源转换器(汽车电源转换器24v至220v)
恶劣汽车和工业环境中的噪声敏感应用需要适合狭窄空空间的低噪声、高效率降压调节器。通常，选择带MOSFET功率开关的单芯片降压调节器。与传统控制器IC和外部MOSFET相比，整体解决方案的尺寸相对较小。单芯片电压调节器可以在高频(远高于AM频带的2 MHz)下工作，也有助于减小外部元件的尺寸。此外，如果电压调节器的最小导通时间(TON)较低，它可以直接工作在较高的电压轨上，而无需中间电压调节，从而节省空之间的时间并降低复杂性。缩短最短导通时间需要快速开关沿和最短死区时间控制，以有效降低开关损耗并支持高开关频率操作。
另一种节省空之间时间的方法是减少满足电磁干扰(EMI)标准和散热要求所需的元件数量。不幸的是，在许多情况下，简单地缩小转换器尺寸很难满足这些要求。本文介绍的高级解决方案可以节省空时间，并实现低EMI和出色的散热。
选择开关模式功率转换器是因为其效率高，尤其是在高降压比时，但需要权衡开关操作引起的EMI因素。在降压转换器中，开关中的快速电流变化(高di/dt)和热环路中寄生电感引起的开关振铃会产生EMI。
它只是EMI系统设计工程师在试图设计紧凑型高性能电源时必须考虑的参数之一。许多关键的设计约束往往相互冲突，需要在设计约束和上市时间方面做出重大妥协。
改善EMI性能
为了降低降压转换器中的EMI，必须将热电路的辐射效应降至最低，并将源信号降至最低。降低辐射EMI的方法有很多，但很多也会降低稳压器的性能。
例如，在典型的分立FET降压稳压器中，通过外部栅极电阻、升压电阻或缓冲器来降低开关沿的速度，以降低EMI，这也是满足汽车行业严格的辐射发射标准的最后一种拯救方法。这样就可以以性能损失为代价快速解决EMI问题。例如，效率降低，组件数量增加，解决方案规模增大。开关沿速度慢会增加开关损耗和空比损耗。转换器必须工作在较低的频率(例如400 kHz)，以获得令人满意的效率，并通过强制性的电磁辐射EMI测试。图1示出了分别具有快速开关沿和慢速开关沿的典型开关节点电压波形。如图所示，开关边沿速度明显变慢，导致开关损耗增加，最小占空比空比或降压比显著增加，更不用说其他对性能的负面影响了。
降低开关频率还会增加转换器电感、输出网络电容和输入电容的物理尺寸。同时，需要使用大尺寸的过滤器来通过传导辐射测试。随着开关频率降低，滤波器中的电感L和电容C需要相应增加。在低压线路满载条件下，电感电流的额定值应大于最大输入电流。因此，前端需要使用一个大电感和多个电容来满足严格的EMI标准。
例如，在400 kHz(而不是2 MHz)的开关频率下，除了增加电感和电容的尺寸之外，EMI滤波器中的电感和电容必须相对较大，以满足汽车应用中传导EMI标准的要求。原因之一是它们不仅必须衰减400 kHz的开关基频，还必须衰减高达1.8 MHz的所有谐波。工作频率为2 MHz的调节器不存在这个问题。图2显示了2 MHz解决方案和400 kHz解决方案的尺寸对比。
屏蔽可能是减少电磁辐射的最后补救措施，但屏蔽需要占用空，而应用可能不可用，需要额外的机械设计和测试迭代。
为了避免AM频率带宽并保持解决方案尺寸较小，汽车应用首选2 MHz或更高的开关频率。避开AM频段后，唯一的问题是确保高频噪声(也称为谐波)和开关振铃降至最低。不幸的是，高频开关通常会导致电磁辐射从30 MHz增加到1 GHz。
一些开关调节器具有快速、干净的开关边沿，可以降低EMI，例如ADI公司Power by Linear系列中的静音开关器件。我们先来看看其他一些有用的功能。
1.开关沿慢意味着除了空的损耗之外，还有很多开关损耗。
图2.2 MHz解决方案与400 kHz解决方案的尺寸对比。
扩频(SSFM)是一种在已知范围内抖动系统时钟的技术，从而将EMI能量分布在频域中。虽然普通开关电源的开关频率通常在AM频段之外(530 kHz到1.8 MHz)，但在AM频段，未调制的开关谐波可能仍然达不到汽车EMI的严格要求。增加SSFM功能可以显著降低AM频段和其他区域的EMI。
图3显示了一个具有超低EMI和高效率的12V至5V/5V/5 A转换器，它使用LT8636静音开关单芯片降压调节器在2 MHz开关频率下工作。图4显示了测试演示电路在14 V输入、5 V和5 A输出下的传导和辐射EMI性能。在前端，小电感和陶瓷电容有助于滤除传导噪声，而铁氧体磁珠和陶瓷电容有助于降低辐射噪声。两个小陶瓷电容放置在输入和接地引脚上，以最小化热电路的面积，同时隔离热电路以帮助消除高频噪声。
为了改善EMI性能，电路被设置为在扩频模式下工作:SYNC/MODE = INTVCC。三角频率调制用于调整开关频率。调整范围是RT设置的值比这个值高20%左右，即当LT8636设置为2 MHz时，频率会以3 kHz的速率在2 MHz和2.4 MHz之间变化。
图3。扩频模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降压转换器，峰值电流为7 A，工作电压为5.7 V至42 V。
图4。CISPR 25电磁辐射EMI有和没有扩频模式。
从传导EMI频谱可以明显看出，峰值谐波能量被分散，从而降低了任何特定频率的峰值幅度，由于扩频功能，噪声至少降低了20 dBV/m。从辐射的EMI频谱也可以清楚地看出，扩频模式也可以降低辐射的EMI。该电路符合严格的汽车CISPR 25类辐射EMI要求，在输入端只需要一个简单的EMI滤波器。
整个负载范围内的高效率
汽车应用中的电子器件数量不断增加，大多数器件在每次设计迭代中都需要更大的电源电流。在如此高的有效负载电流下，重载效率和适当的热管理成为首要考虑因素。可靠的操作取决于散热管理，不受控制的发热可能会导致代价高昂的设计问题。
系统设计者还关注轻负载效率。由于电池寿命主要取决于轻载或空负载下的静态电流，所以轻载效率和重载效率一样重要。在硅片和系统级设计中，必须权衡满载效率、空静态电流和轻载效率。
为了实现满载时的高效率，FET(尤其是底部FET)的RDS(ON)应该最小化，这看起来非常简单。但是，低RDS(ON)的晶体管电容通常相对较高，开关和栅极驱动损耗会增加，这也会增加芯片尺寸和成本。相反，LT8636单片电压调节器在满载条件下具有非常低的MOSFET导通电阻和高效率。LT8636在静态空气体中的最大输出电流为5 A持续电流和7 A峰值电流，并且优友资源网中没有额外的散热器，简化了可靠的设计。
为了提高轻负载效率，以低纹波突发模式工作的电压调节器将输入电容充电至所需的输出电压，同时将输入静态电流和输出电压纹波降至最低。在突发模式下，电流以短脉冲的形式传递到输出电容，然后进入相对较长的休眠周期，在此期间，大多数控制(逻辑)电路关闭。
为了提高轻负载效率，可以选择更大的电感，因为在短脉冲期间可以将更多的能量转移到输出端，降压调节器可以在脉冲之间的睡眠模式下停留更长时间。通过尽可能地延长脉冲之间的时间，最小化每个短脉冲的开关损耗，在单片稳压器(如LT8636)中，单片buck变换器的静态电流可以达到2.5 A。而市面上的典型元器件都是几十甚至几百a。
图5显示了一种高效率解决方案，利用LT8636从12 V输入为汽车应用提供3.8 V/5 A输出。该电路运行在400 kHz时可以实现高效率，采用XAL7050-103 10 H电感。在低至4 mA、高至5 A的负载下，效率可保持在90%以上。1年时的峰值效率为96%。
图5。12 V至3.8 V优优资源网络/5 A解决方案的效率，采用XAL7050-103电感(fSW = 400 kHz)。
图6显示了解决方案1 A至5 a的效率，内部电压调节器通过BIAS引脚由5 V输出供电，以最大限度地降低功耗。峰值效率达到95%；13.5 V输入提供5 V输出的满载效率为92%。对于5 V应用中低至30 mA的负载，轻负载效率保持在89%或以上。转换器工作频率为2 MHz，测试电感为XEL6060-222，以便在相对紧凑的解决方案中优化重载和轻载效率。通过使用更大的电感，轻负载效率可以进一步提高到90%以上。当反馈电阻分压器中的电流以负载电流的形式出现在输出端时，该电流降至最小值。
图6。使用XEL6060-222电感和LT8636 (fSW = 2 MHz)的13.5 V至5 V和3.3 V解决方案的效率。
图7显示了该解决方案在室温下静态空气体环境中，在4 A恒定负载、4 A脉冲负载(总共8 A脉冲负载)和10% 空比率(2.5 ms)—13.5 V输入下的热性能。即使在40 W的脉冲功率和2 MHz的开关频率下，LT8636外壳的温度也保持在40C以下，这使得电路可以在短时间内以高达8 A的电流安全运行，而无需风扇或散热器。由于强化的散热封装技术和LT8636在高频下的高效率，采用3 mm 4 mm LQFN封装就可以达到这个目的。
图7.3 4mm lt 8636在13.5 V至5 V/4 A恒定负载加4 A脉冲负载(10% 空比)下的热图显示温度上升。
通过高频操作减小溶液尺寸。
汽车应用中的空空间变得越来越有价值，因此需要减小放置在电路板中的电源的尺寸。可以使用电容和电感等小型外部元件来提高电源的开关频率。此外，如前所述，在汽车应用中，高于2 MHz(或低于400 kHz)的开关频率可以将基频保持在AM无线电频带之外。我们来比较一下常用的400 kHz设计和2 MHz设计。这种情况下，将开关频率提高五倍至2 MHz，所需电感和输出电容将降至400 kHz设计的五分之一。看起来很容易。然而，由于使用高频解决方案本身需要一些权衡，因此在许多应用中甚至可能不会使用高频IC。
例如，高降压比应用中的高频操作需要更低的最小导通时间。根据公式VOUT = TON fSW VIN，在2 MHz工作频率下，从24 V输入电压产生3.3 V输出电压所需的最小导通时间(TON)约为50 ns。如果功率IC无法实现如此低的导通时间，则必须跳过脉冲以保持低调节输出，这无法实现高开关频率的目标。换句话说，等效开关频率(由于脉冲跳变)可能在AM波段。由于开关的最小导通时间为30 ns，LT8636允许在2 MHz下从高VIN直接转换为低VOUT。相比之下，许多器件被限制在最小值> 75 ns，这要求它们在低频(400 kHz)下工作，以实现更高的降压比，避免跳跃脉冲。
高开关频率的另一个常见问题是开关损耗往往会增加。开关相关损耗包括导通损耗、关断损耗和栅极驱动损耗，所有这些损耗都与开关频率近似线性相关。缩短开关的通断时间可以改善这些损耗特性。LT8636开关的导通和关断时间很短，小于5 V/ns，可以实现最小的死区时间和最小的二极管时间，从而降低高频时的开关损耗。
本解决方案中使用的LT8636采用3 mm 4 mm QFN封装和集成功率开关的单片结构，并提供所有必要的电路功能，共同构成了PCB占用最小的解决方案空。IC下方的大面积裸露接地焊盘通过极低热阻(26C/W)路径将热量传导至PCB，从而降低额外的热管理要求。该封装采用FMEA兼容设计。静音开关技术减少了热电路的PCB面积，因此在这种高开关频率下的辐射EMI问题可以通过一个简单的滤波器轻松解决，如图3所示。
结论
只要仔细选择IC，就可以生产出适合汽车应用的紧凑型高性能电源，而无需反复权衡。也就是说，可以同时实现高效率、高开关频率和低EMI。为了证明可实现的紧凑设计，本文中的解决方案是LT8636，它是一款42 V、5 A连续/7 A峰值单芯片降压静音开关稳压器，采用3 mm 4 mm LQFN封装。在这种IC中，VIN引脚是分开的，对称放置在IC上，这样高频热电路是分开的，磁场相互抵消，抑制电磁辐射EMI。此外，同步设计和快速边沿切换可以提高重负载效率，而低纹波突发模式有利于轻负载效率。
LT8636的3.4 V至42 V输入范围和低压差也适合汽车应用，使其能够在车辆启动或负载突然下降时工作。在汽车应用中，系统设计人员在试图减小电源解决方案的尺寸时，经常面临许多权衡。然而，通过本文中的设计，设计人员可以实现所有性能目标，而无需进行权衡。
