直接从汽车电池输入进行DC-DC转换

介绍

恶劣的汽车和工业环境中的噪声敏感型应用需要适合狭小空间的低噪声、高效率降压稳压器。单片式降压稳压器（包括封装中的 MOSFET 功率开关）通常被选中，因为相对于传统控制器 IC 和外部 MOSFET，它们的整体解决方案尺寸较小。单片稳压器可在远高于AM频段的2 MHz范围内以高频工作，也有助于减小外部元件的尺寸。此外，如果稳压器提供较低的最小导通时间（T上），稳压器可以直接在更高的电压轨上工作，无需中间调节，从而节省了空间和复杂性。低最小导通时间需要快速开关边沿和最小死区时间控制，以有效降低开关损耗并允许高开关频率操作。

节省空间的另一种方法是减少满足电磁干扰（EMI）标准和热要求所需的组件数量。不幸的是，在许多情况下，简单地缩小转换器会使满足这些要求变得更加困难。本文介绍了最先进的解决方案，这些解决方案可节省空间，同时实现低EMI和出色的热性能。

选择开关模式电源转换器是由于其效率，特别是在高降压比下，但一个权衡是开关动作引起的EMI。在降压转换器中，EMI由开关中的快速电流变化（高di/dt）和热回路中的寄生电感引起的开关振铃引起。

EMI只是系统设计工程师在尝试设计紧凑、高性能电源时必须努力解决的参数之一。许多关键设计约束经常不一致，需要在设计限制和上市时间内做出关键妥协。

提高电磁干扰性能

为了降低降压转换器的EMI，必须尽可能降低热回路的辐射效应，并尽量减少来自源头的信号。有许多方法可以降低辐射EMI，但许多方法也会降低稳压器的性能。

例如，在典型的分立式FET降压稳压器中，使用外部栅极电阻器、BOOST电阻器或缓冲器来减慢开关边沿，作为满足汽车行业严格辐射发射标准的最后一种救援方法。这种对EMI的快速修复是以性能为代价的;即更低的效率、更多的元件数量和更大的解决方案尺寸。缓慢的开关边沿会增加开关损耗和占空比损耗。转换器必须以较低的频率（例如400 kHz）工作，以实现令人满意的效率并通过强制性辐射EMI发射测试。图1分别显示了具有快速开关边沿和慢速开关边沿的典型开关节点电压波形。如图所示，开关边沿明显变慢，导致开关损耗增加，最小占空比或降压比显著增加，更不用说对性能的其他负面影响了。

降低开关频率也会增加转换器电感、输出电容和输入电容的物理尺寸。同时，需要笨重的π滤波器才能通过传导发射测试。滤波器中的电感L和电容C随着开关频率的降低而变大。电感电流额定值应大于低线路满载时的最大输入电流。因此，前端需要一个笨重的电感器和多个电容器，以帮助通过严格的EMI标准。

例如，在400 kHz开关频率（而不是2 MHz）下，除了增加电感和电容的尺寸外，EMI滤波器中的电感和电容也必须相对较大，以通过汽车应用所需的传导EMI标准。其中一个原因是，它们不仅必须衰减400 kHz的开关基频，而且还必须衰减高达1.8 MHz的所有谐波。工作频率为2 MHz的稳压器不存在此问题。图2显示了2 MHz解决方案与400 kHz解决方案的尺寸。

屏蔽可能是减少辐射发射的最后补救措施，但屏蔽占用的空间在应用中可能不可用，并且需要额外的机械设计和测试迭代。

为了避免AM频率带宽并保持较小的解决方案尺寸，汽车应用中首选2 MHz或更高的开关频率。避免使用AM频段后，只需确保将高频噪声（也称为谐波）和开关振铃也降至最低。不幸的是，高频开关通常会导致从30 MHz到1 GHz的辐射发射增加。

有些开关稳压器具有快速、干净的开关边沿，可降低EMI，例如ADI线性电源中的静音开关器件®唰唰��线。不过，首先，让我们看一下其他一些可以提供帮助的功能。

图1.慢开关边沿意味着除占空比损耗外，还有显著的开关损耗。

图2.2 MHz 解决方案与 400 kHz 解决方案的尺寸比较。

扩频调频（SSFM）是一种在已知范围内使系统时钟抖动的技术，从而在频域上分配EMI能量。虽然开关频率通常选择在AM频段（530 kHz至1.8 MHz）之外，但未增强的开关谐波仍可能违反AM频段内严格的汽车EMI要求。添加 SSFM 可显著降低 AM 频段和其他区域内的 EMI。

图3.超低EMI LT8636 5 V/5 A降压转换器，扩频模式，7 A峰值工作电压范围为5.7 V至42 V。

图3显示了一个超低EMI和高效率12 V至5 V/5 A转换器，该转换器采用LT8636静音开关稳压器单芯片降压稳压器，开关频率为2 MHz。图4显示了经过测试的演示电路在14 V输入和5 A输出（5 V）下的传导和辐射EMI性能。在前端，小电感器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器有助于降低辐射噪声。输入和接地引脚上放置了两个小陶瓷电容，以最小化热回路的面积，同时还分离热回路，这有助于抵消高频噪声。

为了改善EMI性能，电路设置为在扩频模式下工作：同步/模式= INTV抄送。三角频率调制用于改变由R编程的值之间的开关频率T比该值高约20%，也就是说，当LT8636编程为2 MHz时，频率将在2 MHz至2.4 MHz范围内以3 kHz速率变化。

从传导EMI频谱中可以明显看出，峰值谐波能量被分散开来，降低了任何特定频率下的峰值幅度——由于扩频功能，噪声至少降低了20 dBμV/m。从辐射EMI频谱来看，扩频模式也明显降低了辐射EMI。该电路符合严格的汽车CISPR 25 5类辐射EMI规范，输入侧有一个简单的EMI滤波器。

图4.CISPR 25 辐射 EMI 发射，带和不带扩频模式。

在整个负载范围内具有高效率

汽车应用中的电子设备数量只会不断增加，大多数器件每次设计迭代都需要更大的电源电流。由于有功负载电流如此之高，重负载效率和适当的热管理是重中之重——稳健运行取决于热管理，无法缓解的热量产生可能会导致代价高昂的设计问题。

系统设计人员还关注轻负载效率，这可以说与重负载效率同样重要，因为电池寿命主要取决于轻负载或空载时的静态电流。芯片和系统级设计必须在满载效率、无负载静态电流和轻负载效率之间进行权衡。

为了在满载时实现高效率，RDS（ON）的 FET，尤其是底部 FET，应最小化。然而，具有低R的晶体管DS（ON）通常具有相对较高的电容，开关和栅极驱动损耗随之增加，以及更大的芯片尺寸和成本。相比之下，LT8636 单片式稳压器具有非常低的 MOSFET 导通电阻，从而在满负载条件下实现了出色的效率。LT8636的最大输出电流为5 A连续电流和7 A静止空气中峰值电流，无需任何额外的散热器，从而简化了稳健的设计。

为了提高轻负载效率，在低纹波突发模式下工作的稳压器可使输出电容充电至所需输出电压，同时最大限度地减小输入静态电流，同时最大限度地减小输出电压纹波。在突发模式操作中，电流以短脉冲输送到输出电容，然后是相对较长的休眠期，其中大多数控制（逻辑）电路关断。®

为了实现更高的轻负载效率，首选更大值的电感器，因为在短脉冲期间可以向输出输送更多能量，并且降压稳压器在每个脉冲之间的睡眠模式下可以保持更长的时间。通过最大限度地延长脉冲之间的时间并最小化每个短脉冲的开关损耗，单芯片降压转换器的静态电流可在单芯片稳压器（如LT8636）中接近2.5 μA。该数字与市场上数十μA或数百μA的典型器件进行比较。

图5显示了采用LT8636的汽车应用从12 V输入提供3.8 V/5 A输出的高效解决方案。该电路以 400 kHz 的频率运行，以实现非常高的效率，并使用 XAL7050-103 10 μH 电感器。它在负载轻至 4 mA 和高至 5 A 时保持 90% 以上的效率。1 A 时的峰值效率为 96%。

图5.采用 XAL7050-103 电感的 12 V 至 3.8 V/5 A 解决方案的效率 （f西 南部= 400 kHz）。

图6显示了该解决方案的μA至5 A效率。内部稳压器通过BIAS引脚从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输入的5 V输出的满载效率为92%。对于5 V应用，对于低至30 mA的负载，轻负载效率保持在89%或更高。该转换器的工作频率为2 MHz，用于测试的电感器是XEL6060-222，以在相对紧凑的解决方案中优化重负载和轻负载的效率。通过使用更大的电感器，轻负载效率可以进一步提高到90%以上。反馈电阻分压器中的电流最小化，因为它在输出端显示为负载电流。

图6.LT8636在使用XEL6060-222电感器的13.5 V至5 V和3.3 V解决方案中的效率（f西 南部= 2 兆赫）。

图7显示了该解决方案在4 A恒定负载和4 A脉冲负载（脉冲时总计8 A）下的热性能，占空比为10%（2.5 ms），输入电压为13.5 V，环境室温下仍有空气。即使在40 W脉冲功率和2 MHz开关频率下，LT8636外壳温度仍保持在40°C以下，使电路能够在短时间内安全运行至8 A，无需风扇或散热器。这可以通过3 mm×4 mm LQFN封装来实现，因为采用了增强的热封装技术和LT8636在高频下的高效率。

图7.3 mm×4 mm LT8636，采用13.5 V至5 V/4 A恒定负载和4 A脉冲负载（10%占空比）热图像，显示温升。

通过高频操作缩小解决方案尺寸

在汽车应用中，空间越来越重要，因此需要缩小电源尺寸以适应昂贵的电路板尺寸。提高电源的开关频率允许使用更小的外部元件，如电容器和电感器。此外，如前所述，在汽车应用中，高于2 MHz（或低于400 kHz）的开关频率使基波远离AM无线电频段。让我们将常用的 400 kHz 设计与 2 MHz 设计进行比较。在这种情况下，将开关频率提高五倍至2 MHz可将所需的电感和输出电容降低到400 kHz设计的五分之一。似乎很容易。然而，即使是具有高频能力的IC，也可能无法在许多应用中使用，因为使用高频解决方案时需要权衡取舍。

例如，高降压比应用中的高频操作需要较低的最小导通时间。根据公式 V外= T上× f西 南部× V在，在 2 MHz 工作频率下，顶部开关 （T上） 大约需要 50 ns 才能从 24 V 输入产生 3.3 V。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稳压输出，这基本上违背了高开关频率的目的。也就是说，等效开关频率（由于脉冲跳跃）可能在AM频段。LT8636 的最小顶部开关导通时间为 30 ns，可实现直接高电压在至低 V外2 MHz 时的转换。相比之下，许多器件的最小》75 ns，要求它们以400 kHz的低频工作，以获得更高的降压比，以避免跳脉冲。

高开关频率的另一个常见问题是开关损耗往往会增加。开关相关损耗包括开关导通损耗、关断损耗和栅极驱动损耗，所有这些都大致线性地取决于开关频率。然而，这些损耗可以通过更快的开关导通和关断时间来改善。LT8636开关导通和关断时间非常短，小于5 V/ns，从而具有最短的死区时间和最短的二极管时间，从而降低了高频下的开关损耗。

此处解决方案中使用的LT8636采用3 mm×4 mm LQFN封装，采用集成电源开关的单片结构，并包含所有必要的电路，从而产生具有最小PCB占位面积的解决方案。IC下方的大面积裸露接地焊盘通过极低的热阻（26°C/W）路径将热量引导至PCB，从而减少了对额外热管理的需求。该软件包专为 FMEA 兼容性而设计。静音开关稳压器技术减少了热回路的PCB面积，因此使用简单的滤波器可以轻松解决具有如此高开关频率的辐射EMI，如图3所示。

结论

通过仔细选择IC，可以为汽车应用生产紧凑的高性能电源，而无需通常的权衡取舍。也就是说，高效率、高开关频率和低EMI都可以实现。为了举例说明可以实现的紧凑型设计类型，本文所示的解决方案使用LT8636，这是一款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。在该 IC 中，V在引脚被分离并对称地放置在IC上，分离高频热回路，相互抵消磁场以抑制EMI辐射发射。此外，同步设计和快速开关边沿可提高重负载下的效率，而轻负载效率则受益于低纹波突发模式操作。

LT8636还适合具有3.4 V至42 V输入范围和低压差的汽车应用，使其能够在汽车曲柄或抛负载场景中工作。在汽车应用中，系统设计人员习惯于在尝试缩小电源解决方案尺寸时面临许多权衡，但通过此处所示的设计，设计人员无需权衡即可实现所有性能目标。

审核编辑：郭婷