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提高信息娱乐系统功率密度的设计考虑

2022-03-16 15:28:00 Sahana Krishnan 阅读:
对于信息娱乐系统的电源设计,如果元器件布局和布线做得不好,那么伴随着较高功率密度的紧凑版图设计将会增加电磁干扰(EMI)等潜在挑战。本文将讨论一些在不影响性能时提高功率密度的设计技巧。

如今,人们希望在自己舒适的车内获取更多的娱乐和信息。“信息娱乐”一词本身就表达了这些功能。当研究驱动这些系统的要素时,会发现有一个恒定的推动力,即在更小的空间中集成更多功能。因此,在此所带来的挑战是如何在提高功率密度的同时仍然保持高性能水平。VLYednc

然而,如果元器件布局和布线做得不好,那么伴随着较高功率密度的紧凑版图设计将会增加电磁干扰(EMI)等潜在挑战。本文将讨论一些在不影响性能时提高功率密度的设计技巧。VLYednc

(如何在电源设计中兼顾小体积和高性能?2022年4月21日,在AspenCore主办的“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2022)”(4月20-21日,上海国际会议中心)同期举办的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上,来自是德科技、捷捷微、R&S、PI、英诺赛科、泰克科技、Future、必易微、EPC等行业知名厂商的专家,将会发表有关“利用电池模拟技术, 提升BMS设计的可靠性, 延长电池寿命”、“综合数据和电源的连接与数字生活的前世,今生、未来”、“实现小巧紧凑、性能先进、效率极高的高集成度反激式电源方案”、“精准测试助力解决SiC、GaN电源的开发测试难题”以及“多串锂电池的高精度监控器和保护器”等热门电源技术的主题演讲,探讨电源设计细节,邀您报名参加!)VLYednc

信息娱乐电源架构

许多信息娱乐系统的电源设计都遵循类似的架构。汽车电池被用作电源的输入,而由于冷车发动和负载突降等条件,其通常会在很宽的输入电压范围内工作。电池为宽输入电压的降压转换器供电,进而输出中间总线电压。常见的中间电压是5V或3.3V电压轨。该电压轨将为线性稳压器(LDO)和低输入电压降压转换器等下游器件供电,进而为各种负载提供所需的电源。这些负载包括网络协议接口、连接模块和传感器。电池外部的降压转换器通常都会在起前端设置一个输入滤波器,从而减轻特定频率下的EMI问题。VLYednc

1给出了一个信息娱乐系统应用的电源树示例。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,LDO用于3.3V/10mA电源轨。对于像这样的小电流轨,为了节省设计成本和空间,应该使用LDO而不是降压转换器。VLYednc

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1:该电源树表示汽车设计中信息娱乐系统的供电方式。(图片来源:TI)VLYednc

为了增加此类解决方案的功率密度,电源设计人员采用了一些新的技术,包括采用更高的开关频率(这样可减少设计中的主要功耗来源)以及紧凑的版图设计技术。VLYednc

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整体解决方案的开关频率。在降压转换器中,电路中的每个无源元件都会在每个开关周期内存储和释放能量。在更快的开关速度下,每个周期所缓冲的能量将会减少。更高的开关频率下,可以使用更小的电容和电感等无源元件。由于输入电压纹波减小,还可以使输入电容减小。由于回路带宽更快,输出电容也可以降低。VLYednc

电感与开关频率成反比,如下式所示:VLYednc

L=(VOUT–VIN)·D)/Fsw·ΔIL=VL·D/Fsw·ΔILVLYednc

其中,L=电感,D=工作周期,Fsw=开关频率,IL=电感的电流纹波,VL=电感两端的电压(也可以写为VOUT–VIN)。在1所示的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。VLYednc

功耗增加

不幸的是,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都将决定实际可以增加多少功率密度。2给出了电源电路中各种外部元器件的主要损耗类型。VLYednc

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2:电源电路元器件中常见的损耗类型。(图片来源:TI)VLYednc

除了优化上述外部元器件以外,在选用IC时还要注意封装的散热性能。某种封装的散热性能越好,所能承受的功耗就越大,温升就不会太多。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件。这些元器件需符合汽车可靠性和鲁棒性要求,并且可能包括可改善EMI的功能,例如扩频调制。VLYednc

基本版图设计技巧

如果版图设计没有达到最好,那么即使是最好的电源解决方案,也无法很好地工作。在原理图级别最大限度地提高功率密度后,仍然需要减轻因器件布局和布线不当而可能出现的问题,其中之一就是EMI。VLYednc

在同步降压转换器中,传导辐射是由开关动作所产生的电压随时间的变化(dv/dt)和电流随时间的变化(di/dt)所引起的。这些波形中所包含的高次谐波,很容易被耦合到电路板上的其他器件中。随着开关速度的提高,由于电压或电流会有更多的突然变化,因此EMI问题将变得更加复杂。VLYednc

3给出了1中信息娱乐系统电源树的具体版图设计。PCB元器件周围的彩色框与1中的框图颜色相对应。版图的尺寸非常紧凑,为1.20in.×1.06in.,且背面未放置任何元器件。VLYednc

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3:该信息娱乐系统电源解决方案版图尺寸仅为1.20in.×1.06in.VLYednc

在对元器件进行版图设计时,应使输入连接器远离任何潜在的噪声源。这有助于避免噪声通过寄生元件绕过前端滤波。在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。滤波器周围的地屏蔽还有助于降低EMI并将滤波器与其他噪声元器件隔离开。VLYednc

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4:电源设计中EMI前端滤波布局。VLYednc

设计人员还应将降压转换器的高频开关回路中的电感降至最低。该路径包括输入电容器、高边FET、低边FET和到输入电容器的地回路。5a给出了这个特定信息娱乐系统中四个负载点(PoL)转换器(U4)中的一个。输入电容器(C19)和高频输入电容器(C22)要尽可能靠近IC放置,从而最大限度地缩减回路电感。这些电容器用红色标出,而要尽可能降低的关键路径则用黄色标出。高边和低边FET已被集成到IC中。VLYednc

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5:电容器靠近IC放置(5a),而转换器移到右侧(5b)(图片来源:TI)VLYednc

5b所示,该转换器和其他同类转换器被移到了整体解决方案的右侧,从而最大限度地提高EMI滤波的效率并增加布局紧凑性。VLYednc

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,还需要对滤波器元件进行调整,从而满足特定的EMI标准。VLYednc

 6 给出了为此电源解决方案构造和测试过的实际电路板。VLYednc

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6:用于信息娱乐电源系统测试的PCB板。VLYednc

7中给出了该电路板的热图像。结果表明,即使布局紧凑,也能够获得良好的散热性能。在没有气流的情况下,电路板工作10分钟后,最高温度为69.3℃。VLYednc

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7这张电路板顶层的热图像,是在VIN=13.5V且所有电源轨均处于最大负载条件下所拍摄到的(图片来源:TI)VLYednc

正如在本文中所看到的,当今汽车信息娱乐系统的重点是要将解决方案安装到一个小空间中,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。接下来则是采用良好的布局技术,消除EMI的主要来源,这就是实现高功率密度、高性能解决方案的关键。VLYednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Design considerations for boosting power density in infotainment,由Franklin Zhao编译。)VLYednc

本文为《电子技术设计》2022年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里VLYednc

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