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提高信息娱乐系统功率密度的设计考虑

时间:2021-12-21 09:37:10 作者:SAHANA KRISHNAN 阅读:
如今,人们希望在自己舒适的汽车内获取更多的娱乐和信息。“信息娱乐”术语本身就表征了这些功能。当审视构成这些系统的要素时,会发现一个恒定的驱动力,即在更小的空间内集成更多的功能。因此带来的挑战是,在提高功率密度的同时,仍要保持高水平的性能。
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如今,人们希望在自己舒适的汽车内获取更多的娱乐和信息。“信息娱乐”术语本身就表征了这些功能。当审视构成这些系统的要素时,会发现一个恒定的驱动力,即在更小的空间内集成更多的功能。因此带来的挑战是,在提高功率密度的同时,仍要保持高水平的性能。

然而,如果元器件布局和布线不当,具有更高功率密度的紧凑布局将会增加电磁干扰(EMI)这类的潜在挑战。本文中,将讨论一些在不影响性能的情况下提高功率密度的设计技术。

信息娱乐电源架构

许多信息娱乐系统电源设计都遵循类似的架构。汽车电池用作电源的输入,并且由于冷车发动和负载突降等不同条件,通常在很宽的输入电压范围内工作。电池为宽输入电压降压转换器供电,该转换器输出中间总线电压。常见的中间电压是5V或3.3V电压轨。该电压轨为LDO和低输入电压降压转换器等下游设备供电,这些设备可为各种负载提供所需的电源。这些负载包括网络协议接口、连接模块和各类传感器。对于非电池类降压转换器,通常都会在前端设置一个输入滤波器,以减轻特定频率下的EMI问题。

一个信息娱乐系统应用的电源树示例如图1所示。在宽输入电压降压转换器和低输入电压降压转换器之间采用了一个负载开关,这有助于减小静态电流消耗,从而最大限度地延长电池寿命。此外,线性稳压器(LDO)用于3.3V/10mA电源轨。对于像这样的小电流电压轨,为了节省设计成本和空间,应该使用LDO而不是降压转换器。

图1:该电源树显示了汽车中信息娱乐系统的供电方式。(资料来源:德州仪器)

为了增加此类解决方案的功率密度,电源设计师正在采用一些新技术,比如采用更高的开关频率(以减少设计中主要功耗来源)以及紧凑布局布线技术。

开关频率和无源元件尺寸

提高功率密度的一种方法是提高开关频率。在降压转换器中,电路中的每个无源元件都在每个开关周期内存储和释放能量。开关速度提高后,每个周期缓冲的能量将减少。开关频率提高后,可以使用更小的电容器和电感器这类无源元件。由于输入电压纹波减小,可以减小输入电容。由于更快的环路带宽,输出电容也将减小。

电感与开关频率成反比,如下式所示:

L=(VOUT–VIN)*D)/Fsw*ΔIL=VL*D/Fsw*ΔIL

其中L=电感,D=占空比,Fsw=开关频率,IL=电感器电流纹波,VL=电感器两端的电压(也可以写为VOUT–VIN)。在图1中信息娱乐电源树的解决方案中,所有转换器的开关频率均为2.1MHz。

耗增加

遗憾的是,提高开关频率是以增加功耗为代价的。每个稳压器及其相关元器件的功耗将决定实际可以增加多少功率密度。图2显示了电源电路中各种外部元器件的主要功耗类型。

图2:电源电路元件中常见的损耗类型。

除了优化上述外部元器件外,在选用IC时还要注意封装的热性能。某种封装的散热性能越好,耐受的功耗就越大,温度就不会升高太多。汽车系统的一个特殊考虑是,要选择符合汽车标准的器件和无源元器件。这些器件需符合汽车可靠性和稳健性要求,并且包括可以改善EMI的功能,例如扩频调制。

基本布局技巧

如果布局布线不好,即使是最好的电源解决方案也不会工作得太好。在原理图级最大限度地提高功率密度后,仍然需要注意因不当的元器件放置和布线而可能引发的问题,这其中之一就是EMI。

在同步降压转换器中,随着开关的动作,电压随时间变化(dv/dt),电流也随时间变化(di/dt),这将产生传导辐射。这些波形中含有高次谐波,很容易耦合到电路板上的其他元器件中。随着开关速度的提高,电压或电流会有更多的瞬变,EMI的处理将变得更加复杂。

图3所示为图1信息娱乐系统电源树的具体布局。PCB元器件周围的彩色框与图1中的框图颜色相对应。布局非常紧凑,PCB尺寸为1.20英寸x1.06英寸,且背面未放置任何元器件。

图3:该信息娱乐系统电源的电路板尺寸仅为1.20英寸x1.06英寸。

元器件布局时,应使输入连接器远离任何潜在的噪声源。这将避免噪声通过寄生绕过前端滤波。在图4中,输入连接器以红色标出。EMI滤波器用粉红色标出,宽输入电压转换器输入电压用黄色标出。滤波器周围的屏蔽接地将滤波器与其他产生噪声的元器件隔离开,有助于降低EMI。

图4:合理的电源设计中EMI前端滤波器布局。

设计师还应将降压转换器的高频开关环路中的电感降至最低。该路径包括输入电容器、高压侧FET、低压侧FET和到输入电容器的接地回路。图5a所示的是这个特定的信息娱乐系统中,四负载点(PoL)转换器(U4)中的一个。输入电容器(C19)和高频输入电容器(C22)尽可能靠近IC放置,以最大限度地减小环路电感。这些电容器用红色标出,将关键路径(黄色)减到最短。高压侧和低压侧FET已被集成到IC中。

图5:顶层上靠近IC放置电容器(5a),而转换器移到底层右侧(5b)。

如图5b所示,该转换器和其他类似转换器移向整体解决方案的右侧,以最大限度地提高EMI滤波的效率并增加布局紧凑性。

符合EMI要求是电源设计中最具挑战性的难题之一。虽然在设计中设置滤波器是一种很好的做法,但很可能在电路板测试期间,还需要对滤波器元器件进行调整,以满足特定的EMI标准。

图6:用于信息娱乐电源系统测试的PCB板。

在图7中,显示了电路板的热成像。结果表明,即使布局紧凑,也能够获得良好的热性能。在没有气流散热的情况下,电路板工作10分钟后,最高温度为69.3°C。

查看PMP22648参考设计以获取更多详细信息。

图7:该电路板顶层的热图像是在VIN=13.5V,且所有电源轨上的负载均为最大条件下的结果。

正如在本文中所看到的,当今汽车信息娱乐系统的重点是将解决方案集成在一个更小空间,同时仍需实现高性能。将注意力集中在开关频率和功耗等关键设计上,则能够优化各个元器件,从而实现紧凑的尺寸。接下来的是采用良好的布局技术,消除EMI的主要来源。以上这些是实现高功率密度、高性能解决方案的关键。

(参考原文:Design considerations for boosting power density in infotainment

本文为《电子工程专辑》2021年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编:Amy Wu

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