未来汽车的电源管理发展趋势研究

导  读

在汽车领域，电子系统已变得越来越密集，互连程度也越来越高。这些复杂系统需要在越来越小的空间里放入电源转换器，导致各敏感系统彼此靠近，EMI（电磁干扰）的问题在所难免。

但是，要降低电源中的EMI是电源管理一项日益严峻的设计挑战。例如，作为电源转换器的SMPS（开关式电源）就是一种典型的电磁干扰源，因此，优化电源转换器，抑制EMI的影响已成为每个汽车系统设计工程师需要面对的一个关键考量。

1  电源管理的前沿趋势

德州仪器（TI）升压和多通道DC/DC副总裁兼总经理Cecelia Smith表示，随着高级驾驶辅助系统（ADAS）、汽车信息娱乐系统与仪表组中电子元件的增加，降低EMI已迫在眉睫。而电源管理的一些趋势值得工程师们予以关注：

•  低电磁干扰：尽量减少对其他系统组件的干扰，并简化电源设计和鉴定流程；

•  高功率密度：在提高功率密度的同时降低系统成本，实现更多的系统功能；

•  低IQ（静态电流）：延长电池寿命与储存时间，实现更多功能，并降低系统成本；

•  低噪声高精度：降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性；

•  隔离：在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更高可靠性。

2  什么是EMI？

EMI是一种电磁能量，是开关电流和电压的不良副产物，它来自多种物理现象，可在严格的EMI测试中呈现出来。

以大多数应用普遍使用的SMPS为例，虽然其效率比线性稳压器更高，但效率的提高是有代价的，因为其中的MOSFET开关会产生大量EMI，进而影响电路的可靠性。EMI主要来自不连续输入电流产生的输入电压纹波、开关节点上的快速压摆率，以及由电源环路中寄生电感引起的开关边沿额外振铃。如果没有适当的缓解措施，上述现象就可能影响电源、负载或相邻系统的运行。


SMPS中的EMI源

在要求电磁兼容性（EMC）的汽车系统中，设计时应尽量降低干扰源组件的干扰性和易受干扰的组件的敏感性。当终端设备制造商把来自不同供应商的组件集成在一起时，必须确保干扰性组件和易受干扰的电路互不影响，唯一方法是建立一套共同规则，使前者的干扰性限制在一定范围内，降低对易受干扰电路的影响。

这些规则是根据业界通用规范（如汽车行业的国际无线电干扰特别委员会CISPR 25和适用于多媒体设备的CISPR 32）建立的。因此，根据CISPR标准降低EMI对设计合规至关重要。

3  降低EMI常规方法遇挑战

降低EMI是一项需要进行各种权衡的棘手工作。降低EMI的常规方法包括使用大型且昂贵的滤波器或降低开关压摆率，但这会直接影响转换效率。

通常使用基于无源电感电容器（LC）的EMI滤波器来减小输入纹波。虽然LC滤波器可实现满足EMI规范所必需的衰减，但代价是使系统尺寸和成本增加，降低了总功率密度。

此外，用于输入EMI滤波器设计的大体积电感器会因其自谐振频率较低而在高于30MHz频率范围无法实现衰减，还需要铁氧体磁珠等附加组件来处理高频衰减，进一步增加了元件数量、体积和成本。

解决EMI问题的另一种传统方法是扩频（或时钟抖动）来调制SMPS的开关频率，以降低与基本开关频率及其谐波相关的频谱峰值，但代价是使本底噪声增大。


采用扩频技术前后的SMPS频谱

不管怎样，鉴于EMI可能在后期严重阻碍设计进度，浪费大量时间和资金，因此必须在设计之初就考虑EMI问题。不过，随着电源效率提高带来的设计压力不断提升，通过提高开关频率降低尺寸和成本，或通过增大压摆率来提高效率使得EMI问题变得更加严重。因此，有必要找到一种不影响电源设计、同时具有成本效益且易于集成的EMI缓解技术。

4  平衡效率、EMI、尺寸和成本的创新技术

TI宽输入电压及降压开关电源产品线经理Ganesh Srinivasan介绍说，为了应对EMI挑战，必须采用有助于降低低频和高频EMI的创新解决方案和精确的建模技术。其中包括有助于减小滤波器尺寸和降低成本的创新扩频技术；减少设计时间并降低设计复杂性的集成式旁路电容器、集成型有源EMI滤波器等。体现TI领先的EMI创新的产品包括降压控制器LM25149-Q1、同步降压转换器LMQ61460、充电端口控制器TPS25850-Q1、非同步升压转换器LM5157-Q1和隔离式DC/DC电源UCC12050。

•  DRSS技术加集成有源EMI滤波器：首款集成有源EMI滤波器（AEF）的先进DC/DC控制器LM25149-Q1可以帮助工程师优化汽车电子产品中电源的尺寸和EMI。有源EMI滤波器能够检测输入端的噪声和纹波电压，在DC输入母线上注入与其相位相反的电流，从而消除电流或电压干扰，降低EMI噪声和纹波电压，显著改善低频频谱辐射。LM25149既具有有源EMI滤波器，同时也采用了另一项EMI创新——双随机扩频（DRSS）技术，两者结合可以在整个EMI测试频段中提供业界领先的EMI性能。

采用LM25149可以避免对AM和FM频段的干扰，使得驾驶者不受音频噪音的影响，同时避免EMI干扰损害汽车内部的电子器件，引起整个车身系统包括娱乐系统的失效。

据介绍，DRSS技术结合了低频三角调制及高频伪随机调制两种调制方式，优化了低频和高频EMI性能。DRSS和有源滤波器组合可以在高达400GHz的条件下实现55dBµV的降幅，进一步改善电源的EMI性能。此外，有源EMI滤波器中的有源元件会放大感应到的信号，并通过注入电容器注入适当的反极性信号来显著降低输入线上的总体干扰。这减轻了所需无源元件的滤波负担，从而减小了这些元件的尺寸、体积和成本。其外部EMI滤波器的面积和体积分别可缩减近50%和75%。


降低EMI噪声同时缩减体积

另一款集成DRSS EMI技术的产品是LM5157-Q1非同步升压转换器，能够帮助工程师满足CISPR 25的车规EMI标准。其开关频率为2.2MHz，可避免干扰AM频段，实现缩小整个电源尺寸的解决方案。同时，该产品具有正负30%的频率同步范围，能够简化EMI滤波器设计。LM5157适用于各种应用的各种拓扑，包括升压、SEPIC或反激式拓扑，给客户带来更多样的拓扑选择。其1.5V最低输入电压支持更严苛的汽车冷启动功能，可用于各种汽车应用的多种配置（升压、SEPIC或反激式转换器）。借助高达6A开关电流，工程师可以在通常需要控制器的应用中将其用作转换器，从而减少BOM和器件数量。

•  集成式输入旁路电容器：由于更高的开关节点振铃，较大的输入电源环路会导致在高频频带上产生更高的辐射。在器件封装内集成高频输入去耦电容器有助于更大程度降低输入环路寄生效应，从而降低EMI。LMQ61460同步降压转换器的汽车版本将键合线封装改为HotRod™ 封装并集成了一个旁路电容，经过优化的引脚排列有助于实现更少的开关节点振铃，进一步降低电源带来的EMI干扰，适用于各种环境恶劣的汽车环境。LMQ61460提供3V-36V宽输入电压范围，简化的输入浪涌保护设计可耐受42V瞬态输入电压。由于集成了输入旁路电容，该产品可以大幅度降低封装中的基线电感，同时降低输入纹波，从而提供更良好的EMI表现。


集成的两个高频输入旁路电容器

据介绍，所谓HotRod™ 封装是一种基于引线框的倒装芯片封装，是将硅片翻转直接放在引线框上，从而更大程度地减小键合线开关电流在引脚上引起的寄生电感。除改善电源环路电感之外，HotRod™ 封装还有助于降低电源路径中的电阻，从而提高效率并减小解决方案尺寸。除了减小输入电源环路电感外，输入高频电容器的封装集成还有助于使该解决方案不易受终端系统电路板布局布线变化的影响。


HotRod™ 封装的结构比键合线封装更加可靠

•  车规级高集成双口USB：TPS25850-Q1是新一代双端口、3A DC/DC充电端口控制器，开关频率为2.2MHz，可大大减少输出滤波电感，有助于汽车工程师简单地实现更为紧凑的充电方案。针对这款产品，TI为工程师提供400KHz和2.2MHz的参考设计，可以使工程师复制并准确达到2.2MHz和400KHz频率，能够通过严格的EMI测试并减小外部电感器的尺寸，从而降低开关频率所造成的干扰。采用TPS25850-Q1的检测和控制USB Type-C和电池充电1.2规范端口的高度集成式器件可将方案尺寸缩减37%；智能热管理可降低互联器件中发生过热关断的风险，提升用户体验。

5  小心解决EMI难题

Cecelia Smith表示，汽车电子应用的快速发展为电源转换器的设计带来了巨大的压力。在设计电源转换器时必须格外小心，以符合标准机构规定的限制，从而确保关键系统可以在充满噪声的环境中安全运行。

上述针对汽车应用的创新主要涵盖ADAS、娱乐系统、混合动力/电动和动力总成系统，以及车身电子元件和照明系统等。创新解决方案将帮助工程师满足EMI标准，同时提高设计的功率密度，为设计带来更大的便利性。