I takt med att mängden elektroniksystem ökar i bilar ökar även risken för elektromagnetiska störningar (EMI) i fordonen. Av den anledningen måste elektroniken i moderna fordon ofta tillgodose teststandarden CISPR 25 klass 5, som kraftigt begränsar ledningsburen och strålad emission. Hua (Walker) Bai, Dong Wang och Ying Cheng från Analog Devices Inc. analyserar problemen och föreslår lösningar.

Switchade kraftenheter kan generera stora mängder EMI och finns överallt i bilar. Samtidigt är låg EMI ett viktigt krav, tillsammans med liten storlek, hög verkningsgrad, temperaturtålighet, robusthet samt att de är lätta att använda.

Regulatorfamiljen Silent Switcher 2 tillgodoser de stränga EMI-kraven för fordonstillverkarna samtidigt som de har en kompakt storlek med integrerade MOSFET-komponenter och förmåga till hög ström.
Den patenterade Silent Switcher-tekniken möjliggör goda EMI-prestanda i högfrekventa enheter med hög utström. Silent Switcher 2, nästa generation av tekniken, förenklar kortkonstruktionen och tillverkningen genom att inlemma den ”heta” slingans kondensatorer i kapseln, så att PCB-layouten har minimal inverkan på EMI.

Systemkomponenter
Systemkomponenter (SOCer) i dagens (och framtida) fordon har mycket lite gemensamt med tidigare generationers fordonselektronik. En exponentiell ökning av funktionerna hos informations-, underhållnings- och säkerhetssystem kräver att systemkomponenterna behandlar data flera storleksordningar snabbare än tidigare, inklusive bearbetning av högupplöst videodata från flera källor med minimal latens.

Exempelvis, om den framåtriktade kameran i en bil “ser” en fara måste bilen svara omedelbart, genom att antingen varna föraren eller bromsa bilen. För att tillfredsställa moderna beräkningsbehov trängs en ökande mängd energislukande elektronik in i systemkomponenternas kapslar. Men hur ska allt kraftmatas? I en bil måste kraftleveransen ske mycket effektivt, kompakt och med låg EMI. Systemkomponenternas ökade kraftbehov gör att det blir allt svårare att tillgodose dessa krav.

En R-Car H3 SOC inkluderar exempelvis åtta ARM-kärnor, DSPer, video- och grafikkomponenter samt underordnade stödkomponenter. Samtliga av dessa komponenter kräver tillförlitlig kraft, inkluderande tre spänningsmatningar (5 V, 3,3 V och 1,8 V) för periferi och yttre komponenter, två (1,2 och 1,1 V) för DDR3 och LPDDR4 samt ytterligare en på 0,8 V för kärnorna.

För att klara de strömnivåer som systemkomponenterna behöver utnyttjas traditionellt en switchad strömstyrkomponent med externa MOSFETar istället för monolitiska enheter. Monolitiska komponenter är fantastiska med sina interna MOSFETar som minimerar kostnaden och lösningens storlek, men deras traditionellt begränsade strömförmåga och värmeproblem begränsar normalt deras användning. LT8650S och en ny familj av monolitiska nedomvandlande Silent Switcher-regulatorer har strömförmåga och värmehanteringsfunktioner som stöder systemkomponenter.

Power by Linear-komponenterna LT8650S, LT8609S och LT8645S klarar mycket högre utström än vanliga monolitiska regulatorer på grund av hög verkningsgrad och god värmehantering. Inspänningen varierar mellan 3 V och 42 V (65 V för LT8645S) och täcker hela spektrumet av förhållanden för fordonsbatterier. Dessa monolitiska integrerade komponenter har integrerade MOSFETar och kan fungera vid mer än 2 MHz, vilket resulterar i att lösningens storlek och kostnad kan minskas samtidigt som man undviker AM-bandet. Silent Switcher-regulatorerna är utformade att minimera EMI, vilket gör att de är populära att utnyttja för systemkomponenter.

Dubbla utgångar
Fig 1 visar en lösning med dubbla utgångar, 2 MHz 5 V vid 4 A och 1 V vid 4 A, som utnyttjar två kanaler av LT8650S. Kretsen kan lätt modifieras att passa andra kombinationer av utgångar, inkluderande exempelvis 3,3 V och 1,8 V eller 3,3 V och 1,1 V, för att dra nytta av LT8650S-komponentens breda ingångsområde. LT8650S kan även utnyttjas som en förstastegsomvandlare, följt av olika mindre strömstarka switchade andrastegsregulatorer eller LDO-regulatorer för fler utgångar.

Fig 1. Dubbla utgångar, 5 V/4 A och 1,0 V/4 A, utnyttjar två kanaler på LT8650S (klicka för större bild)

LT8650S har den EMI-utsläckande Silent Switcher 2-konstruktionen med den heta slingans integrerade kondensatorer för att minimera den störande antennens storlek. Detta, tillsammans med integrerade MOSFETer, möjliggör enastående EMI-prestanda.

Fig 2. 4-fas, 3,3 V/16 A, 2 MHz-lösning för en SOC-tillämpning (klicka för större bild)

16A för SOC
Fig 2 visar en 3,3 V/16 A, 4-fas-lösning för SOC-kraft. Fig 3 visar testresultatet för strålad EMI.

Fig 3. Testresultat för strålad EMI för lösningen i figur 2

I fordon ställer systemkomponenter dessutom höga krav på kraftenheternas lasttransientsvar. Det är inte ovanligt att se en stigtid för lastströmmen på 100 A/µs för yttre kraftenheter och högre för kärnans enheter. Oavsett lastförändringar måste kraftenheten minimera utspänningens transient.

En hög switchfrekvens, såsom exempelvis LT8650S-familjens 2 MHz hjälper till att snabba på återhämtningen efter en transient. Snabbare switchfrekvenser motsvaras av snabbare dynamiskt svar med ordentlig kompensering i slingan. Figur 2 visar rätt komponentvärden. För kortlayout är det också mycket viktigt att minimera spårens induktans från komponentens utgående kondensatorer till lasten. Fig 4 visar testresultaten för transienter för lösningen i fig 2.

Fig 4. Lasttransientsvar för lösningen i fig 2

Effektiv och kompakt
Utöver strömhungriga lågspänningstillämpningar som systemkomponenter och CPU behöver bilar och andra fordon även kraft till en rad strömsnåla laster, exempelvis instrumentbrädans funktioner, skärmar, V2X, sensorer, USB-laddare, osv.

På grund av det begränsade utrymmet och begränsad batterieffekt är hög verkningsgrad och liten storlek de främsta kraven på spänningsomvandlare. Låga störningsnivåer behövs givetvis.

LT8609S är en lämplig lösning för alla dessa tillämpningar. Den är konstruerad för ett inspänningsområde från 3 V till 42 V för batteriförhållanden i fordon. Integrerade MOSFETar, inbyggd kompenseringskrets och driftfrekvens på 2 MHz minimerar LT8609S-lösningens storlek. Silent Switcher 2-teknik och integrerade kondensatorer för den heta slingan utnyttjas i LT8609S för att minimera störningsnivån och ge hög verkningsgrad och bra EMI-prestanda. Fig 5 visar en 2 MHz, 5 V/2 A-tillämpning med LT8609S.

Fig 5. 2 MHz 5V/2A-tillämpning baserad på LT8609S

Fig 6 visar en komplett LT8609S-regulator på ett 2-lagerskort. LT8609S-komponentens integrerade MOSFETar och inbyggda kretskompensering minskar komponentantalet i kretsen som sådan och kräver få externa komponenter. Tillsammans med den mycket snabba switchfrekvensen mäter kärnlösningen för denna typiska tillämpning endast 11,5 mm × 12,3 mm.

Fig 6. Kompakt lösning för LT8609S 2-lagerskort

Ett sätt att minska kostnaden är att minimera det antal PCB-lager som behövs, men man får räkna med att prestanda blir lidande. En lösning med två kortlager förväntas inte ge samma EMI-prestanda som en 4-lagerslösning. EMI-resultaten i fig 7 visar att LT8609S på ett 2-lagerskort tillgodoser EMI-kraven enligt CISPR 25 klass 5. EMI-prestanda jämförs för motsvarande lösningar på 2- och 4-lagerskort.

Fig 7. (a) Testresultat för genomsnittlig strålad EMI för LT8609S på ett 2-lagerskort anger resultat med bandspridd frekvensmodulering aktiverad för ytterligare minskning av EMI. (b) Jämförelse av bästa prestanda för strålad EMI mellan 2- och 4-lagerskort med LT8609S.

Generellt sett ger Silent Switcher 2-tekniken utmärkt EMI-prestanda på 2-lagerskort och även på kort med ett enda lager, vilket kan ge minskade tillverkningskostnader.

Termisk prestanda är vanligtvis ett bekymmer vid färre kortlager, men inte för LT8609S. Silent Switcher 2-teknikens låga störningsnivå och höga verkningsgrad ger låg energiförlust från switchövergångar. Detta tillsammans med en kapsel med förbättrad värmespridning gör att LT8609S kan uppvisa goda termisk prestanda. Fig 8 visar en jämförelse av termisk prestanda för 2- och 4-lagerskort. För batteriingångar på 12 V fungerar LT8609S med en ökningsdifferential för temperaturen på mindre än 11 °C vid full last.

Fig 8. Jämförelse av termisk prestanda för 2- och 4-lagerskort med LT8609S.

48 V fordonssystem
Konventionella fordon utnyttjar 12 V batterier för att spänningsmata elektronikkomponenter för tändning, belysning, audio och informations- och underhållningssystem, samt säkerhetsfunktioner och andra system. Olyckligtvis begränsas effekten hos de 12 V-baserade fordonssystemen till 3 kW, vilket blir en allt större utmaning på grund av den ökade mängden fordonselektronik.

För att lösa problemet skiftar fordonsindustrin allt oftare till 48 V batterier. Jämfört med ett 12 V-system ger ett 48 V-system lägre distributionsförluster när effektbehovet är högt, vilket förbättrar den totala verkningsgraden.

Problemen för DC/DC-omvandlare i 48 V-system består i att hålla verkningsgraden för omvandlingen, storleken och EMI på en nivå som liknar den i ett 12 V system, när höga nedomvandlingsförhållanden gör det svårare att tillgodose sådana specifikationer.

De förbättringar som görs med 48 V får inte gå förlorade i DC/DC-omvandlingsprocessen. Monolitiska switchregulatorer som kan köras vid 2 MHz för att undvika interferens med AM-bandet passar utmärkt för elektriska 48 V system för fordon så länge de har hög verkningsgrad. Det finns ett begränsat antal monolitiska nedomvandlande ”buck”-regulatorer som klarar nominell ingång på 48 V, flertalet stöder mindre än 5 A. Den monolitiska buck-regulatorn LT8645S stöder laster på 8 A, från inspänning upp till 65 V. Dess minsta TON på 40 ns med snabba, rena switch-kanter (Fig 9) möjliggör höga switchfrekvenser och hög verkningsgrad, upp till 94% vid 2 MHz.

Fig 9. Monolitiska Silent Switcher-komponenter är konstruerade med en MOSFET-drivkrets som ger snabba, rena switch-kanter. Det resulterar i hög verkningsgrad, även för drift vid hög frekvens. Innovativa drivkomponenter minimerar även översvängning (overshoot), vilket dämpar den ringning som annars skulle vara en källa till EMI.

Integrerade kompenserings- och bypass-kondensatorer minimerar lösningens sammanlagda storlek och förenklar layout för låg EMI. Med ett enkelt filter av ferritpärlor kan LT8645S med marginal klara specifikationerna enligt CISPR 25 klass 5.

Fig 10 visar en 2 MHz 5 V/8 A-tillämpning med ultralåg EMI som utnyttjar LT8645S. Fig 11 visar LT8645S-komponentens verkningsgrad och fig 12 visar LT8645S-lösningens storlek.

Fig 10. 5 V/8 A-tillämpning med ultralåg EMI baserad på LT8645S (klicka för större bild)

Fig 11. LT8645S-komponentens verkningsgrad för lösningen med ultralåg EMI

Fig 12. Demonstrationskretsen visar att LT8645S möjliggör mycket små lösningar

LT8645S har den ovanliga förmågan att den kan stödja stora nedomvandlingsförhållanden även vid drift med höga switchfrekvenser, tack vare sin minsta ”på”-tid på 40 ns. LT8645S kan exempelvis generera 1,8 V från en ingång på upp till en 30 V vid switchfrekvens på 1 MHz. Ingången kan gå upp till det absoluta maxvärdet 65 V om det är tillåtet att hoppa över switchcykler.

Vid lägre utgång än 3,1 V bör LT8645S-komponentens BIAS-ben vara anslutet till en extern källa, som är högre än 3,1 V, för att förbättra verkningsgraden. Om en sådan källa inte finns tillgänglig kan BIAS-benet knytas till GND. Figur 13 visar en 1 MHz 1,8V/8A-lösning, som fungerar trots ingående transienter på 65 V.

Fig 13. 1 MHz 1,8 V/8 A-tillämpning baserad på LT8645S, med in-transienter upp till 65 V

Utöver låg EMI, hög verkningsgrad vid hög frekvens och ett brett inspänningsområde drar LT8645S ultralåg ström i viloläge och har låg ”dropout”. Den ultralåga viloströmmen kan förlänga batteriets driftstid i viloläge. Låg dropout är av kritisk vikt för kontinuerlig drift vid kallstartsförhållanden.
Hua (Walker) Bai, Dong Wang och Ying Cheng, Analog Devices Inc.

Filed under: Fordonselektronik