如何为车辆ADAS设计更好的高电流开关电源

在如今的车辆之中,高级驾驶员辅助系统(ADAS)的重要性与日俱增。它们可以帮助尽可能减少人为操作错误,提升驾驶员和道路安全。早期的ADAS只包含单个自动驾驶员辅助功能,例如使用一个雷达传感器的自适应巡航控制功能。现在,越来越多的ADAS功能被应用到汽车上,例如自动紧急停车、盲点监测、车辆/行人报警和避让、车道偏离报警和辅助等。ADAS的发展意味着这些车辆会使用更多的传感器和摄像头、功能强大的实时数据处理和计算,以及高速通信,而这些均提高了耗电量。例如,第一代ADAS片上系统(SoC)(例如2008年的Mobileye EyeQ)仅消耗2W~3W功率。但新发布的ADAS SoC,例如NVIDIA® Xavier™,由于强大的数据处理和计算能力,需消耗20W~30W或更多功率。ADAS的电源由12V电池提供。它先被转换成5V或3.3V中间供电轨,然后转换成SoC内核、接口、外设等所需的不同的低电压。在ADAS SoC的功耗增大之后,中间供电轨转换器需要输出10A或更高的电流,以满足其要求。

在设计大电流中间电源时,传统方法是使用降压控制器。但是,由于需要使用外部MOSFET,所以这种方法的总解决方案尺寸较大。因此很难将控制器电源解决方案安装到空间有限的位置,这是汽车ADAS应用面临的常见问题。关于汽车开关电源的另一个问题是:电磁辐射。电源设计人员需要解决严格的辐射和传导电磁辐射限制带来的挑战,汽车行业必须遵守该限制。在功耗增加之后,这些电磁辐射标准更难以满足。为了满足功率、尺寸和电磁辐射限制,ADI公司开发了2款42V大电流单片式Silent Switcher稳压器:LT8638S和LT8648S。

使用LT8638S的紧凑型10A/12A峰值电源解决方案

LT8638S是一款42V、10A单通道降压稳压器,采用4mm × 5mm LQFN封装,其中包含所有控制电路和MOSFET。短时间内,其输出电流可以达到12A。LT8638S是非常适合用于紧凑型10A中间供电轨的替代选项。图1显示了典型的5V/10A LT8638S的原理图。LT8638S稳压器的开关频率可在200kHz至3MHz范围内调节。表1列出了400kHz LT8638S电路和2MHz LT8638S电路的主要组成部分。图2显示在演示板DC2929A上,在400kHz和2MHz时,LT8638S的效率和温度升高情况。

如何为车辆ADAS设计更好的高电流开关电源

1.使用LT8638S5 V/10 A电源

1.1所示的原理图包含的组件

开关频率400 kHz2 MHz
L13.3µH (10mm × 11.3mm × 10mm)0.56μH (6.36mm × 6.56mm × 6.1mm)
COUT47µF × 347µF × 1
Rt105kΩ16.9kΩ
Rc9.31kΩ13.7kΩ
Cc820pF220pF
CPL33pF10pF
如何为车辆ADAS设计更好的高电流开关电源

图2.图1所示的电路的效率和温度上升情况

比较LT8638S 400kHz电路和LT8638S 2MHz电路,可以看出,400kHz电路的电感大小是2MHz电感的2.5倍,400kHz电路的输出电容的大小是2MHz输出电容的3倍。所以,对于非常关注尺寸大小和成本的应用,2MHz开关频率更为合适。阻碍电源设计工程师使用2MHz(开关频率)的主要问题是效率和热性能,因为在高开关频率下,开关损耗会显著增大。LT8638S使用快速开关边沿来尽可能降低开关损耗,以缓解这些问题,如图3所示。如图2所示,在开关频率为2MHz,输出功率为50W时,LT8638S的温度仅上升60°C。在10A负载下,2MHz和400kHz开关频率之间的效率差异在1.5%以内。

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