Импульсные преобразователи с низким уровнем собственных ЭМП для применения в системах помощи водителю

Введение

ADAS — это акроним, который расшифровывается как advanced driver assistance system, или усовершенствованная система помощи водителю, которая обычно встречается во многих современных легковых автомобилях и грузовиках. Эти системы, как правило, обеспечивают безопасность вождения и могут предупредить водителя в случае, если система обнаружит риски, исходящие от окружающих объектов, таких как появившиеся на проезжей части пешеходы, велосипедисты или даже другие транспортные средства, движущиеся по небезопасной траектории. Кроме того, данные системы обычно предоставляют динамические функции, в частности адаптивный круиз-контроль, обнаружение объектов вне зоны видимости водителя, предупреждение о непроизвольной смене полосы движения, мониторинг сонливости водителя, автоматическое торможение, контроль тяги и ночное видение. В результате потребность в безопасности, требования к комфорту во время вождения и постоянное ужесточение правил в области транспортной безопасности со стороны государства являются основными факторами растущего распространения систем ADAS во второй половине текущего десятилетия.

Этот рост проходит не без проблем для отрасли, среди которых можно отметить ценовое давление, инфляцию, сложность производства и тестирования самих систем. Более того, неудивительно, что европейская автомобильная промышленность является одним из самых инновационных игроков на автомобильном рынке и в связи с этим предвидела масштабное появление на рынке и внедрение систем ADAS. Тем не менее американские и японские автопроизводители не отстают. Конечной целью является машина с автопилотом, в которой не требуется, чтобы за рулем сидел человек.

Системные проблемы

Если рассматривать систему в общем, то ADAS включает микропроцессор, предназначенный для сбора всех входных данных от многочисленных датчиков внутри транспортного средства и последующей их обработки с той целью, чтобы эти данные быстро предоставить водителю и их можно было легко понять. Кроме того, подобные системы обычно питаются непосредственно от основного аккумулятора автомобиля, напряжение которого обычно составляет 9–18 В, но может достигать 42 В вследствие переходных процессов и 3,4 В при холодном пуске двигателя. Поэтому все DC/DC-преобразователи, предназначенные для таких систем, должны работать с широким диапазоном напряжений, как минимум 3,4–42 В. Кстати, многие двухаккумуляторные системы, например те, что обычно используются в грузовиках, требуют еще более широкого диапазона входных напряжений, причем верхний предел может достигать 65 В. В результате некоторые производители ADAS проектируют свои системы так, чтобы они могли иметь на входе напряжение в диапазоне 3,4–65 В, вследствие чего их можно применять как в составе легковых автомобилей, так и в грузовиках, при этом достигается экономия за счет масштабирования в процессе производства.

Многие системы ADAS используют шину 5 и 3,3 В для питания своих различных аналоговых и цифровых микросхем. Соответственно, производители таких систем предпочитают использовать один преобразователь, позволяющий одновременно работать с одной или с двумя шинами питания. Сама же система монтируется в той части транспортного средства, которая, как правило, имеет пространственные и температурные пределы, тем самым ограничивается теплоотвод, необходимый для охлаждения. Хотя обычным делом является применение высоковольтного DC/DC-преобразователя для генерации напряжения 5 и 3,3 В непосредственно от аккумулятора, в современных системах ADAS импульсный стабилизатор должен также коммутировать ключи с частотой 2 МГц или выше, а не с частотой переключения до 500 кГц, как это делали стабилизаторы предыдущих поколений. Основной движущей силой такого изменения становится потребность в минимизации занимаемой на печатной плате площади и необходимость в работе выше AM-диапазона, чтобы избежать возникновения каких-либо потенциальных помех.

Но даже если бы задача разработчиков была довольно простой, они все равно также должны убедиться, что их система ADAS соответствует различным стандартам помехоустойчивости, применяемым в отношении транспортных средств. В автомобилях импульсные стабилизаторы заменяют линейные стабилизаторы там, где необходима низкая теплоотдача и высокий КПД. Следует отметить и то, что импульсный стабилизатор обычно является первым активным компонентом на входной шине питания и, следовательно, оказывает значительное влияние на характеристики электромагнитных помех всей схемы преобразователя.

Существует два типа электромагнитных помех: кондуктивные и излучаемые. Кондуктивные помехи распространяются по проводам и дорожкам, которые соединяются с продуктом. Поскольку шум локализуется на конкретном выводе или соединителе в конструкции, соблюдение установленных требований к минимизации кондуктивных помех может быть обеспечено относительно рано в процессе разработки благодаря грамотной разводке печатной платы или качественному проектированию фильтра.

Однако излучаемые помехи — совершенно другой случай. Все элементы на плате, через которые протекает электрический ток, излучают электромагнитное поле. Каждая дорожка на плате представляет собой антенну, и каждая медная площадка является резонатором. Все, кроме чистой синусоидальной волны или постоянного напряжения, генерирует шум во всем спектре сигнала. Даже при тщательном проектировании платы разработчик источников питания никогда не знает, насколько сильны будут излучаемые помехи, до тех пор пока система не будет протестирована, а испытания для проверки на излучаемые помехи не могут быть официально выполнены — то есть до полного завершения проекта.

Для уменьшения электромагнитных помех зачастую используют фильтры, снижающие эти помехи на определенной частоте или в диапазоне частот. Часть этой энергии, проходящей через пространство (излучаемые помехи), ослабляется благодаря добавлению к конструкции металлических и магнитных экранов. Часть энергии, которая распространяется по дорожкам печатных плат (кондуктивные помехи), уменьшается за счет применения ферритовых бусин и других фильтров. Электромагнитные помехи нельзя устранить полностью, но их можно уменьшить до уровня, приемлемого для эффективного функционирования других коммуникационных и цифровых компонентов. Кроме того, несколько регулирующих органов разработали стандарты, регламентирующие минимизацию помех.

Современные компоненты входного фильтра, предназначенные для поверхностного монтажа, имеют лучшие характеристики по сравнению с компонентами, предназначенными для монтажа в отверстия. Однако это преимущество компенсируется увеличением рабочих частот переключения импульсных стабилизаторов. Более высокий КПД и низкое минимальное время включения и выключения приводит к увеличению содержания гармоник из-за более быстрых переходных процессов во время переключений. При каждом удвоении частоты переключения электромагнитные помехи усиливаются на 6 дБ, а все остальные параметры, такие как коммутационная способность и время переходного процесса, остаются постоянными. Широкополосные электромагнитные помехи ведут себя как фильтр верхних частот первого порядка с выбросами, увеличивающимися на 20 дБ, если частота переключения повышается в 10 раз.

Грамотные проектировщики печатных плат будут делать контуры с пульсирующим током как можно меньше и разместят экранирующие слои заземления как можно ближе к активному слою. Тем не менее выводы устройства, конструкция и габариты корпуса, требования к тепловыделению, необходимые для эффективного хранения энергии в развязывающих компонентах, определяют минимальный размер контуров с пульсирующим током. Но ситуация может усложниться, поскольку в стандартных плоских печатных платах имеющаяся между дорожками связь индуктивного или трансформаторного типа свыше 30 МГц уменьшит эффективность фильтра, поскольку чем выше частоты гармоник, тем сильнее нежелательная индуктивная связь.

Высоковольтный DC/DC-преобразователь с низким уровнем собственных электромагнитных помех

Для того чтобы преодолеть описанные выше ограничения автомобильных приложений, разработчики Analog Devices из группы Power by Linear создали LT8645S — высоковольтный, монолитный, синхронный понижающий преобразователь, который также характеризуется низким уровнем собственных электромагнитных помех. Диапазон входного напряжения 3,4–65 В делает его оптимальным для применения в приложениях как для легковых автомобилей, так и для грузовиков, в том числе для применения в системах ADAS, в которых стабилизация напряжения должна выполняться не только при холодном пуске двигателя, но и в моменты торможения и набора скорости, то есть они должны работать и при минимальном входном напряжении 3,4 В, и при переходных процессах с пиками напряжения свыше 60 В. Как видно на рис. 1, устройство имеет один канал и обеспечивает нагрузку током 8 А при напряжении 5 В. Его топология синхронного выпрямителя позволяет получить КПД 94% при частоте коммутации 2 МГц, а благодаря режиму Burst Mode (пульсирующий режим функционирования с генерацией пачек импульсов) собственный потребляемый ток остается менее 2,5 мкА при работе без нагрузки, что делает данный преобразователь оптимальным решением для функционирования в постоянно включенных системах.

Рис. 1. Схема преобразователя LT8645S, обеспечивающего выходное напряжение 5 В и выходной ток 8 А при частоте коммутации 2 МГц

Частоту коммутации LT8645S можно изменять программно в пределах 200 кГц – 2,2 МГц и синхронизировать ее в этом диапазоне. Его уникальная архитектура Silent Switcher 2 содержит внутренние входные конденсаторы, а также внутренний конденсатор, подключенный к выводу BST, предназначенному для обеспечения напряжения большего, чем питающее, для транзистора верхнего плеча, и внутренний конденсатор, подключенный к байпас-выводу INTV_CC внутреннего источника питания (выводы BST и INTV_CC на приведенной в статье схеме не показаны), что позволяет сократить площадь, занимаемую на печатной плате. Архитектура LT8645S в сочетании с очень хорошо контролируемыми фронтами импульсов коммутации и внутренней конструкцией с интегрированной площадкой для заземления и использованием медных стержней вместо соединительных проводов значительно снижает выбросы электромагнитных помех. Помимо этого, архитектура Silent Switcher 2 также эффективно сокращает собственные электромагнитные помехи при использовании преобразователя на любой печатной плате, в том числе и на двухслойных печатных платах. Более того, данный компонент гораздо менее требователен к разводке печатной платы по сравнению с другими подобными преобразователями. Такого нового уровня эффективности удалось достичь благодаря внутренним конденсаторам C_BST и C_VCC, которые минимизируют площадь контуров с пульсирующим током. Преобразователь по-прежнему требует наличия двух внешних входных конденсаторов, но уже не нужно размещать их слишком близко к входам. В сочетании с внутренними конденсаторами, минимизирующими площадь контуров с пульсирующим током, интегрированная в бисмалеимид-триазиновую подложку (эпоксидную смолу) заземляющая площадка значительно снижает уровень электромагнитных помех (рис. 2). Многослойная бисмалеимид-триазиновая подложка позволяет организовать и линии ввода/вывода таким же образом, как и у корпуса QFN, при этом обеспечивается использование больших теплоотводящих заземляющих площадок. Такой корпус QFN на основе ламината (LQFN) более пластичный и гибкий, чем стандартный корпус QFN, и уже продемонстрировал значительно большую надежность соединения при пайке во время температурного цикла при монтаже на плату. Благодаря этому заказчики могут устанавливать корпус LQFN там, где ранее обходились только компонентами с внешними выводами.

Рис. 2. График электромагнитных помех, излучаемых преобразователем LT8640S

LT8645S удовлетворяет регламентам стандарта CISPR25 (Class 5) и не превышает допустимые в нем уровни электромагнитных помех во всем диапазоне нагрузок. Для уменьшения уровней собственных электромагнитных помех также может быть задействована частотная модуляция с расширением спектра (рис. 2). В LT8645S предусмотрены внутренние высокоэффективные транзисторы ключей верхнего и нижнего плеча с быстродействующим диодом для защиты транзистора верхнего плеча, генератором, а также управляющими и логическими схемами, интегрированные на одном кристалле. Характеризующийся малыми пульсациями режим Burst Mode поддерживает высокий КПД при низких выходных токах, сохраняя уровень пульсации ниже 10 мВ от пика до пика. Наконец, LT8645S имеет компактный 32‑выводной корпус LQFN размерами 4×6 мм и превосходные температурные характеристики.

Заключение

Процесс распространения систем ADAS для автомобилей и грузовиков закончится не скоро. Также ясно, что поиск оптимального преобразователя, который удовлетворяет всем требуемым характеристикам для того, чтобы не вносить помехи в систему ADAS, является непростой задачей. К счастью, разработчики таких автомобильных систем теперь могут получить высокоэффективное решение в виде DC/DC-преобразователей Silent Switcher 2 компании Analog Devices. Они не только значительно упрощают задачи инженеров, но и обеспечивают необходимые характеристики, при этом не требуется выполнять сложную разводку печатной платы или использовать нестандартные методы проектирования.