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如何解決汽車電氣化下的新型安全隱患？Silent Switcher技術這樣降低EMI

2021-12-13 16:45:08 ADI公司

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在全球性的控碳減排趨勢下，發展新能源汽車成為了應對氣候變化、優化能源結構的重要戰略舉措。根據工信部近日公布的《中國汽車產業發展年報（2021）》顯示，2017年，新能源汽車全球銷量首次突破100萬輛；2020年，新能源汽車在全球汽車市場大幅下滑的大背景下，逆勢增長，銷量突破300萬輛。其中，2020年，我國新能源汽車銷量達到了136.7萬輛，同比增長了10.9%，連續三年銷量超過100萬輛，呈持續高速增長態勢，連續六年位居全球第一。

隨著汽車電氣化浪潮一同到來的，是對車內電子系統電磁干擾（EMI）的更高要求。汽車應用對EMI事件尤其敏感，而在由中央電池、捆綁線束、各種感性負載、天線以及與汽車相關的外部干擾構成的嘈雜電氣環境中，EMI卻是很難避免的。由于安全氣囊配置、巡航控制、剎車和懸架等多種關鍵功能控制都涉及到電子設備，一旦出現問題就可能威脅到生命安全，因此必須保證EMI兼容性，絕不容許因外部干擾而出現誤報或誤觸發。

由7成因起底，Silent Switcher®從根源解決汽車EMI問題

在汽車電池電壓轉換結構中，開關穩壓器作為通常情況下輸入電源總線上的第一個有源部件，對整個轉換器電路的EMI性能有著重要影響。

以圖一所示的降壓穩壓器為例，在M1閉合而M2斷開時，交流電流在藍色實線所示回路中流動；當M1斷開而M2閉合時，交流電流在綠色虛線所示回路中流動。產生最高EMI的是紅色虛線所示回路，此回路流過的是全開關交流電流，電流從零切換至峰值，然后再回到零，因此它有最高的交流電流和EMI能量。其中紅色虛線回路通常稱為熱回路，導致電磁噪聲和開關振鈴的是熱回路中的高di/dt和寄生電感，這是因為，在電路工作時，開關瞬變通過寄生電阻、電感和電容的耦合作用產生高頻諧波。

圖1. 同步降壓穩壓器拓撲

通過以上分析，傳統方案往往通過以下方式來降低EMI：

盡量減少PCB上熱回路的面積，并降低電容和電感自身及PCB走線引入的寄生阻抗。這種方式對Layout和器件參數有要求，而且改善EMI的效果比較有限；
通過減慢內部開關驅動器或外部添加緩沖器，降低MOSFET的開關速度。這種方式會增加開關損耗，降低轉換器的效率；
采用展頻(SSFM)技術，使EMI能量被打散分布在電路的整個頻域內，但這樣會在已知范圍內引起系統時鐘抖動；
采用添加濾波器或屏蔽的辦法來降低EMI, 但這需要更多的外部元件和電路板面積。

可以看出，以上方案或多或少都存在一些額外的負面影響，不能很好地解決EMI問題。為此，ADI專為低EMI場景推出了Silent Switcher技術，它采用兩個對稱分布的輸入熱回路。根據右手定則，這兩個回路產生磁場方向是相反的，能量相互抵消，從而電氣回路對外沒有凈磁場。因此，Silent Switcher技術無需降低MOSFET的開關速度，集高效率、高開關頻率和低EMI于一體而無任何弊端。

圖2. Silent Switcher拓撲（右圖）

基于Silent Switcher技術打造低EMI電源解決方案

目前，ADI的Silent Switcher技術已經發展到第2代——其對Layout的敏感性更低，外部元件更少，并能帶來更低的EMI。LT8650S就是一款采用了Silent Switcher 2技術的雙通道降壓型穩壓器。該器件3 V至42 V輸入電壓范圍使其成為汽車應用的理想選擇，因為汽車應用必須勝任冷啟動和啟停場景下的調節，最低輸入電壓低至3 V，電源切斷瞬變超過40 V。如圖3所示，該器件采用雙通道設計，由兩個高壓4 A通道組成，提供低至0.8 V的輸出電壓，從而可以驅動目前市場上電壓最低的微處理器內核。開關頻率為2 MHz時，其同步整流拓撲可實現高達94.4%的效率，而在空載待機以及兩個通道都打開的條件下，突發工作模式(BurstMode®)保持靜態電流低于6.2 µA，因此非常適合始終開啟的系統使用。

圖3. 2 MHz時提供5 V、4 A和3.3 V、4 A輸出的LT8650S簡化原理圖

LT8650S的開關頻率可以在300 kHz到3 MHz范圍內進行編程，并且在整個頻率范圍內都支持同步。低至40 ns的最短導通時間可在開關頻率為2 MHz時，在高壓通道上實現16 VIN到2.0 VOUT的降壓轉換。其獨特的Silent Switcher 2架構使用兩個內部輸入電容以及內部BST和INTVCC電容，以將熱環路面積減至最小。結合嚴格受控的開關邊沿和集成接地層的內部結構，并用銅柱代替鍵合線，LT8650S的設計大大降低了EMI/EMC輻射。圖4顯示了輸出輻射的特性。改進的EMI/EMC性能對電路板布局不敏感，即使使用2層PCB時也是如此，從而可以簡化設計并降低風險。在整個負載范圍內，開關頻率為2 MHz時，LT8650S可以輕松符合汽車CISPR 25、Class 5峰值EMI限制。還可以使用展頻(SSFM)進一步降低EMI水平。

圖4. LT8650S輻射EMI性能圖

小結

隨著汽車電氣化進程的日益提速，車載電子系統的復雜程度也在不斷變化，但無論設備需要的電壓和電流電平怎么改變，對低 EMI/EMC輻射的要求卻永遠需要。ADI的Silent Switcher技術可以在不影響電源性能和增加外部元器件的前提下有效地降低EMI，可以從設計之初就降低電源EMI輻射的，保障電動汽車行駛安全。