在汽車領(lǐng)域，電子系統(tǒng)已變得越來越密集，互連程度也越來越高。這些復(fù)雜系統(tǒng)需要在越來越小的空間里放入電源轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致各敏感系統(tǒng)彼此靠近，EMI（電磁干擾）的問題在所難免。

但是，要降低電源中的EMI是電源管理一項日益嚴(yán)峻的設(shè)計挑戰(zhàn)。例如，作為電源轉(zhuǎn)換器的SMPS（開關(guān)式電源）就是一種典型的電磁干擾源，因此，優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器，抑制EMI的影響已成為每個汽車系統(tǒng)設(shè)計工程師需要面對的一個關(guān)鍵考量。

電源管理的前沿趨勢

德州儀器（TI）升壓和多通道DC/DC副總裁兼總經(jīng)理Cecelia Smith表示，隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、汽車信息娛樂系統(tǒng)與儀表組中電子元件的增加，降低EMI已迫在眉睫。而電源管理的一些趨勢值得工程師們予以關(guān)注：

·低電磁干擾：盡量減少對其他系統(tǒng)組件的干擾，并簡化電源設(shè)計和鑒定流程；·高功率密度：在提高功率密度的同時降低系統(tǒng)成本，實現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能；·低IQ（靜態(tài)電流）：延長電池壽命與儲存時間，實現(xiàn)更多功能，并降低系統(tǒng)成本；·低噪聲高精度：降低或轉(zhuǎn)移噪聲可簡化電源鏈并提高精密模擬應(yīng)用的可靠性；·隔離：在高壓和關(guān)鍵安全應(yīng)用中實現(xiàn)更高工作電壓和更高可靠性。

什么是EMI？

EMI是一種電磁能量，是開關(guān)電流和電壓的不良副產(chǎn)物，它來自多種物理現(xiàn)象，可在嚴(yán)格的EMI測試中呈現(xiàn)出來。

以大多數(shù)應(yīng)用普遍使用的SMPS為例，雖然其效率比線性穩(wěn)壓器更高，但效率的提高是有代價的，因為其中的MOSFET開關(guān)會產(chǎn)生大量EMI，進(jìn)而影響電路的可靠性。EMI主要來自不連續(xù)輸入電流產(chǎn)生的輸入電壓紋波、開關(guān)節(jié)點上的快速壓擺率，以及由電源環(huán)路中寄生電感引起的開關(guān)邊沿額外振鈴。如果沒有適當(dāng)?shù)木徑獯胧鲜霈F(xiàn)象就可能影響電源、負(fù)載或相鄰系統(tǒng)的運行。

SMPS中的EMI源

在要求電磁兼容性（EMC）的汽車系統(tǒng)中，設(shè)計時應(yīng)盡量降低干擾源組件的干擾性和易受干擾的組件的敏感性。當(dāng)終端設(shè)備制造商把來自不同供應(yīng)商的組件集成在一起時，必須確保干擾性組件和易受干擾的電路互不影響，唯一方法是建立一套共同規(guī)則，使前者的干擾性限制在一定范圍內(nèi)，降低對易受干擾電路的影響。

這些規(guī)則是根據(jù)業(yè)界通用規(guī)范（如汽車行業(yè)的國際無線電干擾特別委員會CISPR 25和適用于多媒體設(shè)備的CISPR 32）建立的。因此，根據(jù)CISPR標(biāo)準(zhǔn)降低EMI對設(shè)計合規(guī)至關(guān)重要。

降低EMI常規(guī)方法遇挑戰(zhàn)

降低EMI是一項需要進(jìn)行各種權(quán)衡的棘手工作。降低EMI的常規(guī)方法包括使用大型且昂貴的濾波器或降低開關(guān)壓擺率，但這會直接影響轉(zhuǎn)換效率。

通常使用基于無源電感電容器（LC）的EMI濾波器來減小輸入紋波。雖然LC濾波器可實現(xiàn)滿足EMI規(guī)范所必需的衰減，但代價是使系統(tǒng)尺寸和成本增加，降低了總功率密度。

此外，用于輸入EMI濾波器設(shè)計的大體積電感器會因其自諧振頻率較低而在高于30MHz頻率范圍無法實現(xiàn)衰減，還需要鐵氧體磁珠等附加組件來處理高頻衰減，進(jìn)一步增加了元件數(shù)量、體積和成本。

解決EMI問題的另一種傳統(tǒng)方法是擴(kuò)頻（或時鐘抖動）來調(diào)制SMPS的開關(guān)頻率，以降低與基本開關(guān)頻率及其諧波相關(guān)的頻譜峰值，但代價是使本底噪聲增大。

采用擴(kuò)頻技術(shù)前后的SMPS頻譜

不管怎樣，鑒于EMI可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計進(jìn)度，浪費大量時間和資金，因此必須在設(shè)計之初就考慮EMI問題。不過，隨著電源效率提高帶來的設(shè)計壓力不斷提升，通過提高開關(guān)頻率降低尺寸和成本，或通過增大壓擺率來提高效率使得EMI問題變得更加嚴(yán)重。因此，有必要找到一種不影響電源設(shè)計、同時具有成本效益且易于集成的EMI緩解技術(shù)。

平衡效率、EMI、尺寸和成本的創(chuàng)新技術(shù)

TI寬輸入電壓及降壓開關(guān)電源產(chǎn)品線經(jīng)理Ganesh Srinivasan介紹說，為了應(yīng)對EMI挑戰(zhàn)，必須采用有助于降低低頻和高頻EMI的創(chuàng)新解決方案和精確的建模技術(shù)。其中包括有助于減小濾波器尺寸和降低成本的創(chuàng)新擴(kuò)頻技術(shù)；減少設(shè)計時間并降低設(shè)計復(fù)雜性的集成式旁路電容器、集成型有源EMI濾波器等。體現(xiàn)TI領(lǐng)先的EMI創(chuàng)新的產(chǎn)品包括降壓控制器LM25149-Q1、同步降壓轉(zhuǎn)換器LMQ61460、充電端口控制器TPS25850-Q1、非同步升壓轉(zhuǎn)換器LM5157-Q1和隔離式DC/DC電源UCC12050。

·DRSS技術(shù)加集成有源EMI濾波器：首款集成有源EMI濾波器（AEF）的先進(jìn)DC/DC控制器LM25149-Q1可以幫助工程師優(yōu)化汽車電子產(chǎn)品中電源的尺寸和EMI。有源EMI濾波器能夠檢測輸入端的噪聲和紋波電壓，在DC輸入母線上注入與其相位相反的電流，從而消除電流或電壓干擾，降低EMI噪聲和紋波電壓，顯著改善低頻頻譜輻射。

LM25149既具有有源EMI濾波器，同時也采用了另一項EMI創(chuàng)新——雙隨機擴(kuò)頻（DRSS）技術(shù)，兩者結(jié)合可以在整個EMI測試頻段中提供業(yè)界領(lǐng)先的EMI性能。

采用LM25149可以避免對AM和FM頻段的干擾，使得駕駛者不受音頻噪音的影響，同時避免EMI干擾損害汽車內(nèi)部的電子器件，引起整個車身系統(tǒng)包括娛樂系統(tǒng)的失效。

據(jù)介紹，DRSS技術(shù)結(jié)合了低頻三角調(diào)制及高頻偽隨機調(diào)制兩種調(diào)制方式，優(yōu)化了低頻和高頻EMI性能。

DRSS和有源濾波器組合可以在高達(dá)400GHz的條件下實現(xiàn)55dBμV的降幅，進(jìn)一步改善電源的EMI性能。此外，有源EMI濾波器中的有源元件會放大感應(yīng)到的信號，并通過注入電容器注入適當(dāng)?shù)姆礃O性信號來顯著降低輸入線上的總體干擾。這減輕了所需無源元件的濾波負(fù)擔(dān)，從而減小了這些元件的尺寸、體積和成本。其外部EMI濾波器的面積和體積分別可縮減近50%和75%。

降低EMI噪聲同時縮減體積

另一款集成DRSS EMI技術(shù)的產(chǎn)品是LM5157-Q1非同步升壓轉(zhuǎn)換器，能夠幫助工程師滿足CISPR 25的車規(guī)EMI標(biāo)準(zhǔn)。其開關(guān)頻率為2.2MHz，可避免干擾AM頻段，實現(xiàn)縮小整個電源尺寸的解決方案。同時，該產(chǎn)品具有正負(fù)30%的頻率同步范圍，能夠簡化EMI濾波器設(shè)計。LM5157適用于各種應(yīng)用的各種拓?fù)洌ㄉ龎骸EPIC或反激式拓?fù)洌o客戶帶來更多樣的拓?fù)溥x擇。其1.5V最低輸入電壓支持更嚴(yán)苛的汽車?yán)鋯庸δ埽捎糜诟鞣N汽車應(yīng)用的多種配置（升壓、SEPIC或反激式轉(zhuǎn)換器）。借助高達(dá)6A開關(guān)電流，工程師可以在通常需要控制器的應(yīng)用中將其用作轉(zhuǎn)換器，從而減少BOM和器件數(shù)量。

·集成式輸入旁路電容器：由于更高的開關(guān)節(jié)點振鈴，較大的輸入電源環(huán)路會導(dǎo)致在高頻頻帶上產(chǎn)生更高的輻射。在器件封裝內(nèi)集成高頻輸入去耦電容器有助于更大程度降低輸入環(huán)路寄生效應(yīng)，從而降低EMI。LMQ61460同步降壓轉(zhuǎn)換器的汽車版本將鍵合線封裝改為HotRod 封裝并集成了一個旁路電容，經(jīng)過優(yōu)化的引腳排列有助于實現(xiàn)更少的開關(guān)節(jié)點振鈴，進(jìn)一步降低電源帶來的EMI干擾，適用于各種環(huán)境惡劣的汽車環(huán)境。LMQ61460提供3V-36V寬輸入電壓范圍，簡化的輸入浪涌保護(hù)設(shè)計可耐受42V瞬態(tài)輸入電壓。由于集成了輸入旁路電容，該產(chǎn)品可以大幅度降低封裝中的基線電感，同時降低輸入紋波，從而提供更良好的EMI表現(xiàn)。

據(jù)介紹，所謂HotRod 封裝是一種基于引線框的倒裝芯片封裝，是將硅片翻轉(zhuǎn)直接放在引線框上，從而更大程度地減小鍵合線開關(guān)電流在引腳上引起的寄生電感。除改善電源環(huán)路電感之外，HotRod 封裝還有助于降低電源路徑中的電阻，從而提高效率并減小解決方案尺寸。除了減小輸入電源環(huán)路電感外，輸入高頻電容器的封裝集成還有助于使該解決方案不易受終端系統(tǒng)電路板布局布線變化的影響。

HotRod 封裝的結(jié)構(gòu)比鍵合線封裝更加可靠 ·車規(guī)級高集成雙口USB：TPS25850-Q1是新一代雙端口、3A DC/DC充電端口控制器，開關(guān)頻率為2.2MHz，可大大減少輸出濾波電感，有助于汽車工程師簡單地實現(xiàn)更為緊湊的充電方案。針對這款產(chǎn)品，TI為工程師提供400KHz和2.2MHz的參考設(shè)計，可以使工程師復(fù)制并準(zhǔn)確達(dá)到2.2MHz和400KHz頻率，能夠通過嚴(yán)格的EMI測試并減小外部電感器的尺寸，從而降低開關(guān)頻率所造成的干擾。采用TPS25850-Q1的檢測和控制USB Type-C和電池充電1.2規(guī)范端口的高度集成式器件可將方案尺寸縮減37%；智能熱管理可降低互聯(lián)器件中發(fā)生過熱關(guān)斷的風(fēng)險，提升用戶體驗。

小心解決EMI難題

Cecelia Smith表示，汽車電子應(yīng)用的快速發(fā)展為電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計帶來了巨大的壓力。在設(shè)計電源轉(zhuǎn)換器時必須格外小心，以符合標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)規(guī)定的限制，從而確保關(guān)鍵系統(tǒng)可以在充滿噪聲的環(huán)境中安全運行。

上述針對汽車應(yīng)用的創(chuàng)新主要涵蓋ADAS、娛樂系統(tǒng)、混合動力/電動和動力總成系統(tǒng)，以及車身電子元件和照明系統(tǒng)等。創(chuàng)新解決方案將幫助工程師滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，同時提高設(shè)計的功率密度，為設(shè)計帶來更大的便利性。

原文標(biāo)題：技術(shù)|未來汽車的電源管理發(fā)展趨勢研究

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