信息娱乐中提高功率密度的设计考虑
文章作者:Sahana Krishnan
在汽车信息娱乐系统的功率设计中，最大限度地减少开关损耗和优化组件的紧凑尺寸是至关重要的。万博投注网址
在当今社会，人们想要在自己舒适的汽车里享受更多的娱乐和信息，这不足为奇。“信息娱乐”一词包含了这些特性。当我们着眼于驱动这些系统的元素时，我们便能够不断地在更小的空间中融入更多功能。这里的挑战是，即使我们的目标是增加功率密度，我们仍然需要保持高水平的性能。
然而，紧凑的布局伴随着更高的功率密度，如果零件放置和布线不佳，则增加了潜在的挑战，如电磁干扰(EMI)。在本文中，我们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power体系结构
许多信息娱乐电源设计遵循类似的架构。万博投注网址汽车电池作为电源的输入，由于冷曲柄和负载转储的条件，经常在宽输入电压范围内工作。电池提供宽输入电压降压变换器，输出中间母线电压。常见的中间电压是5v或3.3 v轨。该轨道为下游设备供电，如LDOs和低输入电压降压转换器，产生各种负载所需的电力。这些负载的例子包括网络协议接口、连接模块和传感器。通常在无电池降压转换器的前端添加一个输入滤波器，以缓解特定频率下的EMI挑战。
图中给出了一个用于信息娱乐应用的电源树示例图1．负载开关用于宽输入和低输入鹿之间的中介。这有助于减少静态电流消耗，以最大限度地延长电池寿命。此外，线性调节器(LDO)用于3.3 v /10-mA钢轨。对于像这样的低电流轨，为了节省成本和设计空间，使用LDO而不是buck转换器是有意义的。
图1动力树展示了信息娱乐系统是如何在汽车设计中供电的。万博投注网址来源:德州仪器公司
电源设计人员为增加此类解决方案的功率密度所采用的一些技术是利用更高的开关频率——考虑并减少设计中主要的功率损耗来源——以及紧凑布局的技术。
开关频率和无源元件尺寸
增加功率密度的一种方法是增加整体解决方案的开关频率。在降压变换器中，电路中的每个无源元件在每个开关周期中存储和释放能量。在更快的切换速度下，每个周期缓冲的能量量将会减少。更高的开关频率会导致更小的无源元件，如电容器和电感。由于输入电压纹波较小，输入电容可以降低。输出电容也可以减少由于更快的环路带宽。
电感量与开关频率成反比，公式如下:
L = (V出——六世N) * D) / F西南*Δ我l= Vl* D / F西南*Δ我l
式中L =电感D =占空比F西南=开关频率，Il=电感电流纹波，Vl=电感间的电压(也可以写成V出- - - - - - V在）.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为2.1 MHz。
功率损耗增加
不幸的是，增加开关频率是以增加功率损耗为代价的。每个调节器及其相关组件的功率损失将决定我们实际上可以增加多少功率密度。图2显示电力线路中各种外部元件的主要损耗类型。
图2在电力电路元件中常见的损耗类型。来源:德州仪器
除了优化上述外部组件外，在决定使用哪种ic时，还要注意封装的热性能。某一组件散热性能越好，在不出现温度极端上升的情况下，您所能承受的功率损失就越大。汽车系统的一个特殊考虑是选择汽车合格的装置和无源组件。这些设备符合汽车可靠性和稳健性的要求，可以包括EMI改进的特性，如扩频频率调制。
基本布局技巧
即使是设计最好的电源解决方案，如果它们被放置在一个不太理想的布局，也不会很好地工作。在原理图级别上最大限度地提高功率密度之后，我们仍然需要减轻由于糟糕的部件放置和布线可能出现的问题。其中之一就是百代唱片公司。
在同步降压转换器中，传导的辐射是由开关动作引起的电压随时间的变化(dv/dt)和电流随时间的变化(di/dt)引起的。这些波形包含高次谐波，可以很容易地耦合到电路板上的其他设备。当我们提高开关速度时，由于电压或电流水平发生了更多的突然变化，电磁干扰变得更加复杂。
图3图1显示了信息娱乐电源树的布局。PCB组件周围的彩色框与图1中的框图颜色相对应。布局紧凑的解决方案尺寸为1.20英寸。x 1.06。没有组件放置在PCB的底部。
图3信息娱乐电源解决方案的布局尺寸为1.20英寸。x 1.06。来源:德州仪器
当布置组件时，让输入连接器远离任何潜在的噪声源。这有助于避免通过寄生元素绕过前端滤波。在图4，输入连接器用红色标出。EMI滤波器用粉红色标出，宽输入变换器的输入电压用黄色标出。滤波器周围的接地屏蔽也有助于减少EMI，并将滤波器与其他噪声元件隔离。
图4这是EMI前端滤波安置在电源设计中的样子。万博投注网址来源:德州仪器
设计人员还应注意减少降压变换器高频开关回路中的电感。该路径包括输入电容、高边场效应管、低边场效应管以及对地返回到输入电容。在这个特殊的信息娱乐系统中，四个负载点(PoL)转换器之一(U4)被用作示例图5一个．输入电容(C19)和高频输入电容(C22)尽量靠近集成电路，以减小回路电感。这些电容器用红色标出，而达到最小值的关键路径用黄色标出。高边场效应晶体管和低边场效应晶体管集成在集成电路中。
图5电容器被放置在IC附近(顶部5a)，而转换器被移动到右边(底部5b)。来源:德州仪器
所示图5 b，这个转换器和其他类似的转换器被移到整体解决方案的右侧，以最大限度地提高EMI滤波器的有效性，并增加布局的紧凑性。
满足电磁干扰要求是电源设计中最具挑战性的部分之一。因此，虽然在设计中为滤波器配置是很好的做法，但很可能在板测试期间需要对滤波器组件进行调整，以满足特定的电磁干扰标准。
图6显示为此电源解决方案构建和测试的物理板。
图6该PCB解决方案被建立和测试的信息娱乐电源系统。来源:德州仪器
在图7，我们展示了一个板的热图像，以证明我们能够实现良好的热结果，即使是紧凑的布局。无气流运行10分钟后，最高温度为69.3℃。检查PMP22648参考设计以获得更详细的信息。
图7在这张板顶部的热成像图中，V在= 13.5 V，所有轨道均处于最大负载。来源:德州仪器
正如我们在本文中所看到的，当今汽车信息娱乐系统的重点是在实现高性能的同时将解决方案适用于小范围。注意关键的设计考虑，如开关频率和功率损耗，将允许您优化单个组件的紧凑尺寸。通过良好的布局技术来减少主要的电磁干扰来源，将是实现功率密集、高性能解决方案的关键。
这篇文章最初发表于EE倍．
Sahana克里希南正在加州大学伯克利分校攻读电力电子学研究生。她曾是德州仪器公司的应用工程师。
