高功率單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器 滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 限制要求并適合狹小的安放空間

　　隨著汽車中電子系統(tǒng)數(shù)量的成倍增加，車內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾的風(fēng)險也大幅升高了。因此，新式車輛中的電子產(chǎn)品常常必須符合 CISPR 25 Class 5 EMI 測試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對傳導(dǎo)型和輻射型 EMI 發(fā)射做了嚴(yán)格的限制。由于其本身的性質(zhì)，開關(guān)電源充斥著 EMI，并在整個汽車中“彌漫擴散”。如今，低 EMI 與小的解決方案尺寸、高效率、散熱能力、堅固性和易用性一起，成為了對汽車電源的一項關(guān)鍵要求。Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器系列可滿足汽車制造商嚴(yán)格的 EMI 要求，同時擁有緊湊的尺寸以及集成化 MOSFET 和高電流能力。

　　已獲專利的* Silent Switcher 技術(shù)在高頻、高功率電源中實現(xiàn)了令人印象深刻的 EMI 性能。作為這項技術(shù)的下一代，Silent Switcher 2 簡化了電路板設(shè)計和制造，其所采取的方法是把熱環(huán)路電容器納入到封裝中，因此 PCB 布局對于 EMI 的影響極小。

　　Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SOC 供電

　　當(dāng)今 (及未來) 車輛上所使用的片內(nèi)系統(tǒng) (SOC) 器件與前幾代同類產(chǎn)品幾乎沒有什么相似之處。信息娛樂系統(tǒng)和車輛安全系統(tǒng)之特性和功能的指數(shù)性增加迫切要求 SOC 處理數(shù)據(jù)的速度比過去提高幾個數(shù)量級，包括以極少的延遲處理來自多個信號源的高分辨率視頻數(shù)據(jù)。例如，倘若汽車的前置攝像頭“看到”了某種危險，則汽車必須立刻做出響應(yīng)，要么提醒駕駛者注意，要么剎車制動。為了滿足最新的計算需求，SOC 在其封裝中集成了越來越多的高耗電器件，可是，將怎樣提供這些所需的功率呢? 在汽車中，功率輸送方案必須具有高效、緊湊和低 EMI 的特點。SOC 增加的需求使得它們更難以滿足。

　　比如，一個 R-Car H3 SOC 包含 8 個 ARM 內(nèi)核、DSP、視頻和圖形處理器、以及輔助的支持器件。所有這些組件均需要可靠的電源，包括三個用于外設(shè)和輔助組件的電源軌 (5V、3.3V 和 1.8V)、兩個用于 DDR3 和 LPDDR4 的電源軌 (1.2V 和 1.1V)、和另一個用于內(nèi)核的電源軌 (0.8V)。

　　為了支持 SOC 所需的電流水平，具有外部 MOSFET 的開關(guān)電源控制器是優(yōu)先于單片式電源器件的傳統(tǒng)選擇方案。單片式器件因其內(nèi)部 MOSFET 最大限度縮減了成本和解決方案尺寸而引人注目，但是它們在傳統(tǒng)上受限的電流能力和存在的熱問題則通常限制了其使用。LT8650S 和一個新的單片式降壓型 Silent Swicther 穩(wěn)壓器系列擁有支持 SOC 的電流能力和熱管理特性。

　　由于具備高效率和熱管理特性，因此 Power by Linear? LT?8650S、LT8609S 和 LT8645S 的輸出電流能力比典型單片式穩(wěn)壓器高得多。3V 至 42V (對于 LT8645S 則為 65V) 的輸入電壓范圍涵蓋了汽車電池的各種電量條件。這些單片式 IC 具有集成的 MOSFET，并能以高于 2MHz 的頻率運行，因而縮減了解決方案尺寸和成本，同時避開了 AM 頻段。Silent Switcher 穩(wěn)壓器專為最大限度降低 EMI 而設(shè)計，從而使其成為適合 SOC 的一種熱門選擇。

　　雙輸出：5V/4A 和 1V/4A

　　圖 1 示出了一款雙輸出 (2MHz 5V/4A 和 1V/4A) 解決方案，其采用了 LT8650S 的兩個通道。這款電路可容易地進行修改以適合其他的輸出組合，包括諸如 3.3V 和 1.8V 或 3.3V 和 1.1V 等，以利用 LT8650S 的寬輸入范圍。LT8650S 還可用作第一級轉(zhuǎn)換器，后隨用于提供更多輸出的各種較低功率第二級開關(guān)穩(wěn)壓器或 LDO 穩(wěn)壓器。

　　圖 1：采用 LT8650S 兩個通道的雙輸出 (5V/4A 和 1.0V/4A) 解決方案

　　LT8650S 運用了可消除 EMI 的 Silent Switcher 2 設(shè)計，具有集成的熱環(huán)路電容器，旨在最大限度減小噪聲天線尺寸。結(jié)合集成化 MOSFET，這實現(xiàn)了異常優(yōu)越的 EMI 性能。

　　圖 2：適合 SOC 應(yīng)用的 4 相、3.3V/16A、2MHz 解決方案

　　適用于 SOC 的 16A 解決方案

　　圖 2 示出了一款用于提供 SOC 電源的 3.3V/16A、四相解決方案。圖 3 示出了輻射 EMI 測試結(jié)果。

　　圖 3：圖 2 所示解決方案的輻射 EMI 測試結(jié)果

　　另外，汽車 SOC 還對電源負載瞬態(tài)響應(yīng)有著極高的要求。外設(shè)電源的負載電流轉(zhuǎn)換速率達到 100A/μs (內(nèi)核電源則更高) 的情況并不少見。無論負載的變化情況如何，電源都必須最大限度減小輸出電壓瞬變?？焖匍_關(guān)頻率 (比如 LT8650S 系列能達到 2MHz) 有助于加快瞬變恢復(fù)的速度。在采用正確環(huán)路補償?shù)那闆r下，較快的開關(guān)頻率對應(yīng)于較快的動態(tài)響應(yīng)。圖 2 給出了適合的組件值。在電路板布局中，應(yīng)盡量地減小從電路的輸出電容器至負載的走線電感，這一點也是至關(guān)緊要的。圖 4 給出了圖 2 所示解決方案的瞬態(tài)測試結(jié)果。

　　圖 4：圖 2 所示解決方案的負載瞬態(tài)響應(yīng)

　　針對較低功率應(yīng)用的高效率、緊湊型解決方案

　　除了諸如 SOC 和 CPU 等低電壓、高電流應(yīng)用之外，汽車和其他車輛還需要用于眾多低電流負載的電源，例如：儀表板、平視顯示器、車聯(lián)網(wǎng) (V2X)、傳感器、USB 充電器，等等。

　　由于可用空間和電池電量受限，因此對于電源轉(zhuǎn)換器來說，高效率和小解決方案尺寸是最重要的要求。低噪聲是前提條件。LT8609S 是一款針對所有這些應(yīng)用的合適解決方案。該器件設(shè)計了針對汽車電池條件的 3V 至 42V 輸入電壓范圍。集成的 MOSFET、內(nèi)置的補償電路和 2MHz 的工作頻率最大限度減小了 LT8609S 解決方案尺寸。在 LT8609S 中運用了 Silent Switcher 2 技術(shù)和集成型熱環(huán)路電容器，以盡量地降低噪聲電平并提供優(yōu)異的效率指標(biāo)以及卓越的 EMI 性能。圖 5 示出了采用 LT8609S 的 2MHz、5V/2A 應(yīng)用。

　　圖 5：采用 LT8609S 的 2MHz 5V/2A 應(yīng)用

　　圖 6 示出了一款安置在兩層電路板上的完整 LT8609S 穩(wěn)壓器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和內(nèi)置補償電路把組件數(shù)目減少為器件本身和少量的外部組件。再加上高速開關(guān)頻率，該典型應(yīng)用的核心解決方案總體尺寸僅為 11.5mm x 12.3mm。

　　圖 6：LT8609S 兩層電路板的小解決方案尺寸

　　降低解決方案成本的一種方法是盡量減少所需的 PCB 層數(shù)，但是這需要以犧牲性能為代價是可以預(yù)料到的。例如，就所實現(xiàn)的 EMI 性能而言，兩層電路板解決方案與四層電路板解決方案預(yù)計是不等同的。圖 7 中的 EMI 測試結(jié)果顯示：采用兩層電路板的 LT8609S 可滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 輻射限制要求。對采用兩層和四層電路板的等效解決方案之 EMI 性能進行了比較。

　　圖 7：(a) 采用一塊兩層電路板的 LT8609S 之平均輻射 EMI 測試結(jié)果顯示了在啟用擴展頻譜頻率調(diào)制功能時以進一步降低 EMI 的情況。(b) 裝有 LT8609S 的兩層和四層電路板的峰值輻射 EMI 性能比較。