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針對汽車嚴苛環境設計 完善電源供應系統佔小空間、省電及低EMI
[作者 Bin Wu、Zhongming Ye]   2020年04月08日 星期三 瀏覽人次: [7086]

本文探討汽車電源供應器規格的關鍵要求,以及因應汽車規範的解決方案,內容並提供多個範例解決方案,來一一說明高效能元件的組合如何輕易地解決以往無法克服的汽車電源難題。


汽車技術的進步,使得現代汽車的電子元件數量大幅地增加,並藉此改善了駕駛經驗、娛樂功能多元化、增加更多電源與能源來源。透過持續投資工程資源,業界致力為汽車市場改良電源管理解決方案,而這方面的技術,使得電源供應效率獲得了顯著的提升,其中包括了電源供應效率、纖巧性、強固性、以及EMI性能等。


汽車應用的電源供應器必須在面臨各種嚴苛條件下正常運作而不失效-因此,設計者必須能因應所有緊急狀況,其中包括負載突降(load dump)、冷啟動(cold crank)、正負極反接、雙電池借電發車、尖波、LV 124/ISO 7637-2/ISO 17650-2/TL82066等標準所規範的其他暫態事件,另外還有機械震動、雜訊、極寬的溫度範圍等狀況。


本文即將探討汽車電源供應器規格的關鍵要求,以及因應汽車規範的解決方案,其中包括:


.汽車輸入暫態


.輸入電壓範圍


.輸出電壓/電流


.低靜態電流(IQ)


.電磁干擾(EMI)


這裡將提供多個範例解決方案,來一一說明高效能元件的組合如何輕易地解決以往無法克服的汽車電源難題。


嚴苛的汽車環境

圖1顯示一個完整的電源解決方案,其可因應各種汽車應用極為嚴苛的要求。在前端部分,理想二極體LT8672負責保護電路,使其耐受引擎室中各種嚴苛的條件,以及像是電池正負極反接這類破壞性失效。在理想二極體之後,則是一系列的低靜態電流(IQ)降壓穩壓器,這些元件具備極寬的輸入範圍-從3V到42V -為各元件提供調整後的電壓,其中包括核心、I/O、DDR、以及週邊裝置需要的其他供電軌。



圖1 : ADI旗下針對汽車電子開發的Power by Linear解決方案符合暫態免疫方面的各種要求。
圖1 : ADI旗下針對汽車電子開發的Power by Linear解決方案符合暫態免疫方面的各種要求。

這些穩壓器具備超低的靜態電流,故能為各種常時啟動系統延長電池的運行時間。低雜訊電源轉換技術將能對昂貴EMI抑制元件的需求減至最低,並縮短設計與測試的週期,以及因應各種嚴苛的汽車EMI標準。


對於許多必須渡過冷啟動事件的關鍵功能而言,LT8603多通道低IQ降壓穩壓器內建預穩壓型升壓控制器,提供外型精小的解決方案,並且擁有至少3個調節電壓供電軌。LT8602能為各種先進駕駛輔助系統(ADAS)應用提供4個調節電壓供電軌,其中包括碰撞警示、緩解撞擊煞車及盲點監視等。


圖2顯示一個傳統汽車電子系統,其是由引擎驅動發電機。這部發電機基本上是一部三相發電機,其交流輸出會透過整個二極體電橋進行整流。這個整流器的輸出除了用來為鉛酸電池充電之外,還會為12V電路與元件供電。典型的負載包括ECU、燃油泵浦、煞車、風扇、空調、音響及照明系統等。目前業界已經將越來越多的ADAS輔助系統加入到12V匯流排,其中包括各種週邊、I/O、DDR、處理器及相關的電源供應器。



圖2 : 典型的車載電子系統
圖2 : 典型的車載電子系統

電動車則有些差別。其引擎換成電動馬達,直流對直流轉換器負責將400伏高電壓鋰離子(Li-Ion)電池組的電力轉換成12V,而不是從發電機取得電力。但傳統12V發電機裝置仍會繼續延用,連帶其暫態脈衝-包括快速脈衝在內也會繼續存在。


引擎在極窄rpm轉速範圍內維持高峰效率運轉時,發電機的輸出維持穩定狀態,電池電壓也相對穩定,在大多數條件約在13.8V左右。從汽車電池直接取電的每個電路必須在9V至16V範圍內可靠地運行,但強固的汽車電子設計必須能在各種超出規範條件下運作,在大多數不方便的時間點,這些狀況都無可避免。


雖然發電機的輸出名義上是穩定的,但還不夠穩定到足以省去調節,因此仍須進行調節後才能將電力輸送到汽車的其他系統。不想看到的電壓突波或暫態事件對於下游的電子系統是有害的,而且倘若沒有妥善解決,甚至可能導致這些系統故障或造成永久損壞。在過去幾十年,包括ISO 7637-2/ISO 16750-2/ LV 124/ TL82066在內的汽車標準都規範了汽車電源供應器必須承受的突波與電壓暫態,並制定相關的設計規範。


其中一項最關鍵與具挑戰性的高電壓暫態,就是負載突降。在汽車電子領域中,負載突降是指電池在充電時,發電機和汽車電池斷開連結的狀況。在負載突降暫態中,發電機的激發場(excitation field)維持高位,並有極大的滯後係數-發電機即使在沒有負載時仍會持續輸出高功率。


電池本身是一個大容量,通常會吸收額外的能源,但當接頭鬆脫或其他因素導致斷開連結,就無法再提供這項服務。因此,所有其他電子元件會看到電壓突波且必須能耐受這類負載突降事件。未抑制的負載突降可能導致發電電壓竄升到100 V。


所幸現代汽車發電機有採用雪崩等級的整流二極體,可將負載突降電壓限制在35V-但和規範數值仍有很大的差距。這類負載突降事件持續時間最多可達400毫秒。


另一種高電壓事件為借電發動(jump-start)。有些拖吊車會使用兩顆串聯電池,確保能以借電方式去發動電池沒電的拋錨車,因此拖吊車的電路必須能承受雙倍額定電池電壓,至少要耐受28伏數分鐘的時間。許多Power by Linear高電壓步階降壓穩壓器,像是Silent Switcher與Silent Switcher 2兩個系列的元件,包括LT8650S與LT8640S最高能在42 V運作,高於上述的電壓要求。


另一方面,其他廠商較低額定電壓的元件則需要用到箝位電路,因此不僅成本較高且導致效率降低。另外包括LT8645S 與LT8646S在內的Power by Linear穩壓器則能支援到65伏的額定電壓,可用在包括卡車與飛機等這類24V的應用環境中。


駕駛人發動汽車,而啟動馬達從電池汲取數百安培電流時,會出現另一種電壓暫態。此時電池電壓會短暫下降一段時間。在傳統汽車中,這種狀況只會出現在駕駛人發動汽車時-例如發動汽車先開往超市,之後要開車回家時又再發動一次。


許多現代汽車會配備怠速熄火功能以節省油料,在開車去超市的旅程中會有多次怠速熄火事件-每個停車號誌以及停紅綠燈時都會發生。額外的怠速熄火事件對於電池與啟動馬達形成大幅增加的壓力,遠超過傳統汽車。


此外,若啟動馬達事件發生在低溫的清晨,啟動馬達汲取的電流會高過溫度較高時候所汲取的電流,使得電池電壓在一段約20毫秒的時間中下降到3.2V甚至更低-這種狀況稱為冷啟動。然而即使在冷啟動狀況下,一些功能仍必須維持啟用。


幸運的是,從設計上來看,這類關鍵功能通常不需要耗用大量電力。像LT8603多通道轉換器這類整合式解決方案,即使輸入電力下降到3伏以下,依然能維持供電規範。


ISO 7637-2與TL82066標準定義許多其他脈衝規範。有些有較高正電壓或負電壓,但也有較高的電源阻抗。這些脈衝的能量相比上述事件來得小,可藉由適當選用輸入TVS抑制元件進行濾波或箝位。


符合汽車免疫規範的理想二極體

主動整流控制器LT8672擁有高輸入電壓定額(+42 V, ?40 V)、低靜態電流、超快暫態反應速度、以及超低外部FET電壓降控制,在極低功耗下為12V汽車系統提供保護。


電池正負極反接

當電池端子斷開後,有可能出現汽車電池正負極接反的狀況,此時電子系統可能被流入的電池負電壓所損壞。通常會運用阻隔二極體串聯到電源輸入端,藉以保護正負極反接所造成的破壞,但阻隔二極體本身也有電壓降,因此除了會導致沒有效率的系統,還會使輸入電壓下降,尤其是在冷啟動時。


LT8672該款理想二極體能取代被動式二極體,用來保護下游系統免於遭受負電壓的破壞,如圖3所示。



圖3 : LT8672對電池正負極反接的反應
圖3 : LT8672對電池正負極反接的反應

在正常狀況下,LT8672會控制一個外部N通道MOSFET,從而構成一個理想二極體。GATE放大器除了感測汲極與源極,還會驅動MOSFET的閘極,藉以將順向電壓調節至20毫伏。在負載步階過程中D1會保護正向的源極,以及防範各種過壓狀況。當負電壓出現在輸入側,當源極轉為負GATE會拉升至源極,並關閉MOSFET,以及將汲極與負輸入隔離開來。擁有快速下拉(FPD)功能的LT8672 能迅速關閉外部MOSFET。



圖4 : LT8672對正負極反接事件進行反應的波形
圖4 : LT8672對正負極反接事件進行反應的波形

疊加交流電壓

電池供電軌經常遭遇的一種干擾,就是疊加(superimposed)的交流電壓。這種交流電元素係為整流發電機輸出的一種瑕疵,或是各種高電流負載頻繁切換造成的結果,包括像馬達、燈泡、或PWM控制的負載。


根據ISO 16750以及LV 124的汽車規範,ECU可能受到疊加在電源上的交流漣波所影響,其頻率最高可到30kHz,振幅最高到6 V p–p。在圖5中,高頻率交流漣波疊加到電池線路電壓。典型的理想二極體控制器其反應速度過慢,反觀LT8672則能產生高頻率閘極脈衝,頻率最高到100 kHz,能視需要控制外部FET,藉以抑制這些交流漣波。



圖5 : LT8672對疊加交流電壓反應的波形
圖5 : LT8672對疊加交流電壓反應的波形

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LT8672拒斥供電軌上交流電元素的獨特能力,源自於其高速上拉(FPU)與FPD控制策略,還有其強大的閘極驅動能力,而閘極驅動器的動力則來自整合式升壓穩壓器。相較於電荷泵浦閘極電源解決方案,升壓穩壓器讓LT8672能維持調節後的11伏電壓,藉以讓外部FET維持啟動,並提供極高的閘極流出電流,藉以為高頻率交流漣波整流降低切換損耗。


其50毫安培的流出電流能力讓系統能以極快速度開啟FET,將功耗降至最低;其300毫安培的流入(sinking)電流能力則實現高速關閉功能,將逆電流導通狀況減至最低。此外,這樣的設計還能大幅降低輸出電容中的漣波電流。圖6顯示疊加後交流電壓的典型整流波形。


圖6 : LT8672對疊加發電機電壓的反應波形.
圖6 : LT8672對疊加發電機電壓的反應波形.

此外,在相同負載條件下,相較於傳統蕭特基二極體打造的解決方案,LT8672能更有效降低各種導通損耗。如圖7所示的熱影像,採用LT8672的解決方案,溫度比傳統採用二極體的解決方案低了將近攝氏60度。更低的發熱不僅改進效率,還省去極佔空間的散熱片。


圖7 : 熱溫性能比較.
圖7 : 熱溫性能比較.

出現在汽車電子系統輸入端的高波峰、窄寬度脈衝通常來自兩個來源:


.出現串聯或並聯電感負載時,切斷與輸入電源的連結


.負載的切換程序影響到分布電容及電纜線束的電感


這些脈衝中有一部分會出現高電壓波峰(peak)。舉例來說,ISO 7632-2標準定義的pulse 3a脈衝是一個負峰(negative spike),其波峰電壓超過?220 V,而pulse 3b定義的脈衝其最高波峰電壓為150伏,高於電池初始電壓。雖然它們有相當大的內部阻抗,且維持時間極短,但下游的電子元件一旦看到這些脈衝仍會輕易遭受破壞。


兩個妥善規劃尺寸的TVS安裝在前端,用來抑制這類突波。事實上,由於輸入電容以及寄生線路電感的濾波器效應,使得某些低能量脈衝會直接被吸收。



圖8 : LV 124規範中定義12伏系統的嚴重冷啟動狀況
圖8 : LV 124規範中定義12伏系統的嚴重冷啟動狀況

多軌穩壓器安然渡過各種冷啟動事件

LT8602提供精小型解決方案,最多支援4個調節供電軌(例如5V、3.3V、1.8V、1.2V),輸入電壓範圍從5V到42V,相當適合支援在冷啟動時無必要啟動的功能。另一方面,在冷啟動時必須運作的功能-像是火星塞控制器或防盜警報-則適合採用如LT8603這類解決方案,其最低能在3V(或更低)輸入電壓下運作。


LV 124標準中定義了冷啟動的最壞情況,如圖8所示。其中最低電池電壓會降至3.2伏,在汽車發動時會維持19毫秒。這項規格促使各種應用在面臨額外的二極體電壓降時,必須在2.5V的低電壓下維持運作,包括在傳統(非理想二極體)解決方案中從電池正負極反接保護機制下出現電壓降低的狀況。在被動式二極體保護機制中,可能需要降壓-升壓穩壓器,而不是複雜度較低且更有效率的降壓穩壓器,用來提供許多微控制器需要的穩定3V電源。


LT8672控制器的最低輸入運作電壓為3 V VBATT,讓主動式整流器能在冷啟動脈衝下運作,且輸入與輸出端之間有最小的壓降(20毫伏)。下游的電源供應器在冷啟動事件期間會看到不低於3V的輸入電壓。因此,可採用最低運作電壓為3V且具有低壓降特性的降壓穩壓器,像是LT8650S這類元件,可用來產生3伏電源。而和LT8650S一樣,許多ADI Power by Linear車用IC的最低輸入電壓也是3伏。


圖9顯示內建LT8672以及傳統二極體元件的兩種1.8伏電源供應器。降壓型穩壓器最低能在3V電壓下運作。如上所述,運用傳統二極體時,VIN到降壓穩壓器後,電壓會降至接近2.7V,當電池充電時,電壓VBATT會降至3.2 伏,原因是二極體的高電壓降,會觸發下游切換穩壓器關閉UVLO,其1.8V輸出也因此停止。相比之下,在冷啟動事件中,LT8672的輸出維持幾近一致,下游的降壓穩壓器也能維持1.8V輸出。


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圖9 : 冷啟動事件.
圖9 : 冷啟動事件.

眾多關鍵功能都需要調節後的5V與3.3V供電軌,以及低於2V供電軌,為包括儲存資料元件、處理器I/O、以及類比與數位IC中的核心供電。倘若VBATT電壓降至低於輸出或VIN(MIN),且是直接從VBATT供電,純降壓穩壓器就無法維持穩壓功能。然而,這類關鍵功能通常不需要這樣的電力,因此業者可採用高度整合的精小型解決方案,如 6 mm × 6 mm 的LT8603四輸出/三組單晶升壓轉換器搭配升壓控制器。


LT8603的整合升壓控制器最低能在2V電壓運作,這項特色讓它成為三種降壓穩壓器的理想預穩壓器。圖10顯示一款支援這類應用、並能耐受冷啟動事件的Power by Linear尖端解決方案。兩款高電壓降壓穩壓器背後的運作動力為預升壓(preboost)轉換器。當VBATT降至低於8.5 V以下,升壓控制器就會開始切換,輸出(OUT4)則被調節至8V。一旦啟動後,它能讓輸出持續調節,輸入電壓可降至3V。因此,兩個高電壓降壓元件不僅能渡過冷啟動狀況,還能提供持續5V與3.3V輸出,如圖11所示。



圖10 : 具耐受冷啟動能力的 LT8672與 LT8603解決方案能度過各種冷啟動事件
圖10 : 具耐受冷啟動能力的 LT8672與 LT8603解決方案能度過各種冷啟動事件

圖11 : LT8672 與LT8603的組合產生5V與3.3V的輸出電壓,能通過各種冷啟動事件的考驗
圖11 : LT8672 與LT8603的組合產生5V與3.3V的輸出電壓,能通過各種冷啟動事件的考驗

一旦VBATT從冷啟動回復到8.5V以上,升壓控制器的行為就會像二極體一樣。高電壓升壓穩壓器能支援最高到42V的VBATT電壓。低電壓降壓穩壓器是從OUT2汲取電力,在冷啟動事件過程中提供1.2V的供電。


超低IQ 延長常時啟動系統的運行時間

許多連接至VBATT的常時啟動系統,當充飽電後便能支撐數週至數月,而不必再充電,因此在一些狀況中,輕負載與無負載的效率會比全負載效率來得更重要。


Power by Linear系列超低靜態電流(IQ)元件除了能節省電池電荷之外,還能耐受各種嚴峻的暫態事件、3V至42V範圍極寬的輸入電壓、以及範圍極寬的溫度。為優化效率,以及在輕負載與無負載狀態下依循相關規範,可採用Burst Mode運行模式。在兩次脈衝之間,所有涉及輸出開關的電路都會關閉,藉以將輸入電源電流降至數微安培。相較之下,一般降壓穩壓器在無負載時會從VBATT汲取數百微安培的電流,因此消耗電池電力的速度要快上好幾個量級。


在特定輕負載模式下,突衝模式的效率主要受到切換損耗所影響,該損耗和切換頻率以及閘極電壓呈函數關係。由於MOSFET開啟與關斷所需的能量是固定的,因此維持內部邏輯運作,藉以降低切換頻率,即可降低閘極電荷損耗並提高效率。


切換頻率主要取決於突衝模式的電流限制、電感值及輸出電容等因素。在特定負載電流下,提高突衝電流限制即可在每次切換週期中允許輸送更多能量,而相對應的切換頻率就會降低。對於特定突衝電流限制,更大的電感儲存的能量會高於較小的電感所儲存的能量,因此切換頻率也會比較低。同樣,較大的輸出電容能儲存更多的能量,放電所需的時間也更長。


圖12顯示一款解決方案中的超低IQ 同步式降壓穩壓器LT8650S,該解決方案能在範圍極寬的輸入電壓與負載電流維持高效率。由於整合了MOSFET,因此這款元件能提供最高可達到8安培的輸出電流,固定輸出電壓為3.3V或5V。儘管整體設計與配線很簡單,但這款轉換器提供了多種選項,能用來在各種電池供電系統中優化特定應用的效能。


圖12 : 低 IQ LT8650S維持極高的輕負載效率,支援各種常時啟動應用,而且不會汲取大量的電池電力。
圖12 : 低 IQ LT8650S維持極高的輕負載效率,支援各種常時啟動應用,而且不會汲取大量的電池電力。

適合汽車市場的多款低 IQ 單晶穩壓器輸入端可支援到42V或65V的電壓。這些元件的典型靜態電流僅2.5毫安培,背後要歸功於ADI開發的低IQ 技術。這些穩壓器的最低開啟時間僅35奈秒,並能從42V轉換成3.3V的輸出電壓,切換頻率為汽車產業常見的2 MHz。


Silent Switcher 系列元件消弭EMI設計的複雜性

許多汽車應用要求系統不得產生電磁雜訊以避免這些雜訊干擾其他汽車系統的正常運作。舉例來說,切換開關式電源供應器雖然是高效率的電源轉換器,但本身會產生不受歡迎的高頻訊號,這些訊號可能影響其他系統的運作。切換開關式穩壓器的雜訊一般出現在切換頻率以及其諧波。


漣波是在輸出與輸入電容中的雜訊元素。降低漣波的辦法包括採用低ESR與ESL的電容,以及低通LC濾波器。頻率較高的雜訊元素,會更難應付,這類雜訊源自於電源MOSFET快速開啟與關斷。當前設計的焦點大多專注於緊湊的解決方案與高效率,運作切換頻率則推近至2 MHz,藉以降低被動元件的尺寸,以及避開可聽見的頻帶。此外,切換暫態時間也降至奈秒的水準,藉以改進效率 - 方法是降低切換損耗以及工作週期損耗。


封裝與電路板佈線產生的寄生電容與電感在分佈雜訊方面扮演著重要的角色,因此一旦出現雜訊就很難消除。EMI規避工作相當複雜,因為切換雜訊從數十MHz一直到GHz頻率都可能出現。感測器與其他儀表都會受這些雜訊干擾而導致功能失常,使得出現可聽見的噪音或嚴重的系統失效。因此,業界制定了許多嚴苛的標準來規範EMI。其中,最常採用的標準是CISPR 25 Class 5,此標準詳列了150 kHz至1 GHz頻率可接受的上限數據。


要在高電流下通過汽車EMI規範,通常涉及複雜的設計與測試程序,包括在解決方案佔用空間、整體效率、可靠度、以及複雜度等因素之間做無數次的取捨。控制EMI的傳統作法,是減慢切換邊緣或降低切換頻率,但代價則是降低效率、開啟與關斷時間拉長、以及解決方案的體積增大。其他替代辦法包括複雜的龐大EMI濾波器、緩衝元件、或金屬遮蔽,而其代價便包括了機板空間、零件、組裝等成本大幅增加,散熱管理與測試的流程也變得更為複雜。


ADI的Silent Switcher技術以創新方式解決EMI問題,在高頻率、高功率供電系統中提供令人印象深刻的EMI性能。第二代Silent Switcher 2元件並在封裝中加入了熱迴路電容,以藉此簡化機板設計與製造流程。對於如42 V/4 A LT8650S之降壓穩壓器而言,熱迴路包含一個輸入電容,以及上下切換開關。其他充斥雜訊的迴路,包括閘極驅動電路以及升壓電容充電電路。在 Silent Switcher 2 元件中,熱迴路與溫(warm)迴路電容都整合在封裝與配線內,藉以將電磁干擾減至最低程度。這種作法能降低最終機板配線產生的EMI,並簡化設計與製造的流程。要進一步降低EMI,可採用內建在這些元件中的選配展頻調變功能,讓產品更容易通過各種嚴苛的EMI標準。


圖13顯示一個專為高低電流應用設計的低IQ、低雜訊解決方案,該方案可支援各種汽車I/O以及週邊。前端的LT8672負責保護電路免於遭受各種電池正負極反接失效以及高頻率交流漣波等事件所影響,順向電壓降僅數十毫伏。LT8650S元件的切換頻率為400kHz,可支援3V至40V的輸入電壓,在並聯雙通道模式下能輸出8安培的電流。



圖13 : LT8672與LT8650S針對高輸出電流設計的組態.
圖13 : LT8672與LT8650S針對高輸出電流設計的組態.

兩款解耦合電容可配置在緊靠著LT8650S輸入針腳的位置。運用Silent Switcher 2 技術,即使沒有安裝EMI濾波器也能達到優異的高頻EMI性能。這款系統以極大的餘裕幅度通過 CISPR 25 Class 5電磁擾動的高峰與平均限制規範。


圖14顯示幅射EMI平均測試結果,範圍為30 MHz至1 GHz,設定為垂直偏極化。完整解決方案包含簡化電路圖、最小整體元件數量、緊湊電路空間、以及優異的EMI性能,不會受到機板配置變動的影響(圖15)。



圖14 : LT8672與 LT8650S EMI性能:30 MHz至1 GHz.
圖14 : LT8672與 LT8650S EMI性能:30 MHz至1 GHz.

圖15 : 整的電源供應器解決方案,能把輸入的汽車電池電力轉換後輸出3.3V與5V的電壓
圖15 : 整的電源供應器解決方案,能把輸入的汽車電池電力轉換後輸出3.3V與5V的電壓

總結

汽車應用要求低成本、高效能、高可靠性的供電解決方案。如汽車引擎室此類嚴苛的環境,亦促使著電源供應器的開發業者必須製造出強固的解決方案,並且必須考量各種可能遭遇到的破壞性電子與熱溫事件。連結12V電池的電路板必須經過審慎設計,以因應高可靠度、精小解決方案尺寸、以及高效能等要求。


Power by Linear元件成員包含許多專為因應各種汽車需求所開發的創新解決方案:其中包括超低靜態電流、超低雜訊、低EMI、高效率、精小尺寸下支援極寬運作範圍、以及大範圍的工作溫度。Power by Linear的解決方案不僅消弭複雜性,同時還提升了效能、縮短電源供應器的設計時間、降低解決方案的成本、以及加快產品的上市時程。


(本文作者Bin Wu[1]、Zhongming Ye[2]為美商亞德諾半導體[1]應用工程師、[2]資深應用工程師)


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