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提高信息娛樂系統功率密度的設計考慮

2021年09月13日 11:29 ? 次閱讀

在本文中,我們將討論一些設計技術,以在不影響性能的情況下實現更高的功率密度。

信息娛樂電源架構

許多信息娛樂電源設計遵循類似的架構。汽車電池用作電源的輸入,并且由于冷車發動和負載突降條件,通常在很寬的輸入電壓范圍內工作。電池為寬輸入電壓降壓轉換器供電,該轉換器輸出中間總線電壓。常見的中間電壓是 5V 或 3.3V 電壓軌。該電源軌為 LDO 和低輸入電壓降壓轉換器等下游設備供電,這些設備可為各種負載生成所需的功率。這些負載的示例包括網絡協議接口、連接模塊和傳感器。輸入濾波器通常添加到電池外降壓轉換器的前端,以減輕特定頻率下的 EMI 挑戰。

信息娛樂應用的電源樹示例如圖 1所示。負載開關用于寬輸入和低輸入降壓之間的中介。這有助于減少靜態電流消耗,從而最大限度地延長電池壽命。此外,線性穩壓器 (LDO) 用于 3.3V/10mA 電源軌。對于像這樣的低電流軌,為了節省設計成本和空間,使用 LDO 而不是降壓轉換器是有意義的。

圖 1電源樹顯示了汽車設計中信息娛樂系統的供電方式。資料來源:德州儀器

電源設計人員用來增加此類解決方案的功率密度的一些技術正在利用更高的開關頻率(考慮并減少設計中的主要功率損耗來源)以及緊湊布局技術。

開關頻率和無源元件尺寸

提高功率密度的一種方法是提高整體解決方案的開關頻率。在降壓轉換器中,電路中的每個無源元件在每個開關周期內存儲和釋放能量。在更快的開關速度下,每個周期緩沖的能量量將減少。更高的開關頻率可以產生更小的無源元件,例如電容器電感器。由于較小的輸入電壓紋波,可以減小輸入電容。由于環路帶寬更快,輸出電容也可以降低。

電感與開關頻率成反比,如下式所示:

L = (V OUT - VI N ) * D) / F sw * ΔI L = V L * D / F sw * ΔI L

其中 L = 電感,D = 占空比,F sw = 開關頻率,I L = 電感器電流紋波,V L = 電感器兩端的電壓(也可以寫為 V OUT – V IN)。在圖 1 中信息娛樂電源樹的解決方案中,所有轉換器的開關頻率為 2.1 MHz。

功率損耗增加

不幸的是,增加開關頻率是以增加功率損耗為代價的。每個穩壓器及其相關組件的功率損耗將決定我們實際可以增加多少功率密度。圖 2顯示了電源電路中各種外部元件的主要損耗類型。

圖 2電源電路元件中常見的損耗類型。資料來源:德州儀器

除了優化上述外部元件外,在決定使用哪些IC時還要注意封裝的熱性能。某種封裝的散熱效果越好,您可以承受的功率損失就越大,而不會看到溫度的極端升高。汽車系統的一個特殊考慮是選擇符合汽車標準的器件和無源元件。這些設備符合汽車可靠性和穩健性要求,并且可以包括用于改善 EMI 的功能,例如擴頻調制。

基本布局技巧

如果放置在不太理想的布局中,即使是設計最好的電源解決方案也不會很好地工作。在原理圖級別最大限度地提高功率密度后,我們仍然需要減輕因零件放置和布線不當而可能出現的問題。其中之一是EMI。

在同步降壓轉換器中,傳導輻射是由電壓隨時間的變化 (dv/dt) 和開關動作引起的電流隨時間的變化 (di/dt) 引起的。這些波形包含高次諧波,很容易耦合電路板上的其他設備中。隨著我們提高開關速度,處理 EMI 變得更加復雜,因為電壓或電流水平會有更多的突然變化。

圖 3顯示了圖 1 中信息娛樂電源樹的布局。PCB 組件周圍的彩色框與圖 1 中的框圖顏色相對應。布局的緊湊解決方案尺寸為 1.20 英寸 x 1.06 英寸,未放置任何組件在 PCB 的底部。

圖 3信息娛樂電源解決方案的布局尺寸為 1.20 英寸 x 1.06 英寸來源:德州儀器

布置組件時,請使輸入連接器遠離任何潛在的噪聲源。這有助于避免通過寄生元件繞過前端過濾。在圖 4 中,輸入連接器以紅色標出。EMI 濾波器用粉紅色標出,寬輸入轉換器輸入電壓用黃色標出。濾波器周圍的接地屏蔽還有助于降低 EMI 并將濾波器與其他噪聲組件隔離。

圖 4這就是電源設計中 EMI 前端濾波布局的樣子。資料來源:德州儀器

設計人員還應注意將降壓轉換器的高頻開關環路中的電感降至最低。該路徑包括輸入電容器、高側 FET、低側 FET 和到輸入電容器的接地回路。在這個特定的信息娛樂系統中,四個負載點 (PoL) 轉換器 (U4) 之一用作圖 5a 中的示例。輸入電容器 (C19) 和高頻輸入電容器 (C22) 盡可能靠近 IC 放置,以最大限度地減少環路電感。這些電容器用紅色標出,最小化的關鍵路徑用黃色標出。高側和低側 FET 集成到 IC 中。

圖 5電容器靠近 IC(頂部 5a)放置,而轉換器移向右側(底部 5b)。資料來源:德州儀器

如圖 5b所示,該轉換器和其他類似轉換器移向整體解決方案的右側,以最大限度地提高 EMI 濾波器的效率并增加布局緊湊性。

符合 EMI 要求是電源設計中最具挑戰性的部分之一。因此,雖然在設計中配置濾波器是一種很好的做法,但很可能需要在電路板測試期間調整濾波器組件以滿足特定的 EMI 標準。

圖 6顯示了為此電源解決方案構建和測試的物理板。

圖 6此 PCB 解決方案是為信息娛樂電源系統構建和測試的。資料來源:德州儀器

圖 7 中,我們展示了電路板的熱圖像,以證明即使布局緊湊,我們也能夠獲得良好的熱效果。在沒有氣流的情況下運行電路板 10 分鐘后,最熱溫度為 69.3 °C。查看PMP22648參考設計以獲取更多詳細信息。

圖 7在此電路板頂部的熱圖像中,V IN = 13.5 V 且所有電源軌均處于最大負載。資料來源:德州儀器

正如我們在本文中看到的,當今汽車信息娛樂系統的重點是將解決方案安裝到一個小區域,同時仍能實現高性能。關注開關頻率和功率損耗等關鍵設計考慮因素將使您能夠優化各個組件以實現緊湊的尺寸。緊隨其后的是采用良好的布局技術來減輕 EMI 的主要來源,這將是實現高功率密度、高性能解決方案的關鍵。

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