|
當(dāng)我十幾歲的時候，我的第一份工作就是攢夠錢然后買一個音響，從那天起我的父母似乎每天都在說：“把聲音關(guān)小點兒！” 對，我的確制造了相當(dāng)大的噪聲。現(xiàn)在作為一名技術(shù)專家，我每天所關(guān)注的已不再是可以聽到的聲音，而是要想方設(shè)法防止各種電子系統(tǒng)和設(shè)計產(chǎn)生虛假電磁干擾（EMI）。 電磁干擾 EMI是一種有害的電磁信號，它從外部滲透到電子電路中，電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)是產(chǎn)生電磁干擾的原因。本文的重點是如何正確設(shè)計電子解決方案來幫助工程師“降低噪音”，限制汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電磁干擾，讓這類干擾不再是問題。 汽車領(lǐng)域 在汽車創(chuàng)新領(lǐng)域正經(jīng)歷著控制EMI干擾的巨大需求，隨著交通運輸方式的轉(zhuǎn)型，汽車市場預(yù)計將在未來15年翻一番。這種轉(zhuǎn)變的一部分將是電子工業(yè)及其提供前所未有的新服務(wù)能力的副產(chǎn)品。這些創(chuàng)新將依賴于塑造未來的四項關(guān)鍵技術(shù)——ACES，即： Automation：自動化 Connectivity：互連 Electric：電子 Shared：共享 標(biāo)準(zhǔn)：CISPR 汽車工業(yè)通常遵循的是國際無線電干擾特別委員會（CISPR）的標(biāo)準(zhǔn)，CISPR 25條款中第5類測試標(biāo)準(zhǔn)是汽車標(biāo)準(zhǔn)。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發(fā)展，系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)和選配功能以及配件等形式的汽車應(yīng)用電子產(chǎn)品將迅速且持續(xù)的發(fā)展，進(jìn)而推動汽車市場的壯大。 電磁干擾的根源 系統(tǒng)的內(nèi)部和外部都會產(chǎn)生電磁干擾，由于車內(nèi)電子解決方案包含的組件數(shù)目不斷增加，而且它們必須作為一個有機整體運行，而不對其他系統(tǒng)產(chǎn)生過多的電磁干擾，因此盡量減少個別組件或整體產(chǎn)生的電磁干擾是至關(guān)重要的。車輛內(nèi)部和外部電磁發(fā)射源包括：氣囊、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備、控制器網(wǎng)絡(luò)總線（CAN）、防撞系統(tǒng)（比如光探測器和距離感應(yīng)器激光/雷達(dá)）、巡航系統(tǒng)、直流電機、電子剎車系統(tǒng)、電子控制單元（ECU）、燃料控制系統(tǒng)、游戲系統(tǒng)、車庫門控制器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、點火系統(tǒng)、車載安全系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向、無線電（AM/FM/衛(wèi)星）、遙控門控制系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等。 電磁干擾的問題 現(xiàn)代汽車?yán)玫?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/開關(guān)電源" target="_blank" class="relatedlink">開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁干擾，使得周圍的系統(tǒng)暴露在這種不必要的干擾環(huán)境之下。汽車內(nèi)部開關(guān)電源的數(shù)量也在不斷的增加，加上物理尺寸的縮小，空間更加的緊湊，對于高效運轉(zhuǎn)、高溫運行以及壽命更長等需要，所有這些都要求電子產(chǎn)品能夠在這些苛刻的環(huán)境下正常工作。 隨著自動駕駛汽車開始進(jìn)入市場，EMI問題將變得越來越重要，因為人類駕駛員已經(jīng)將控制權(quán)、路線和安全等都交給了車輛，而車輛及乘客的安全將取決于操作系統(tǒng)。 減少電磁干擾 美國科學(xué)家本杰明・富蘭克林（1705-1795）曾說過一句諺語：“一克（盎司）的預(yù)防勝過一公斤(磅)的治療。”，這句諺語傳達(dá)了這樣一個事實：電子工程師應(yīng)該在所有組件都整合在一起之前就考慮電磁干擾問題，因為如果工程師不在開發(fā)前期投入適當(dāng)?shù)木Γ敲淳鸵陂_發(fā)后期投入更多的精力和成本。 電子工程師通常采用三種主要的方式來降低電磁干擾：第一種方法是要確保電子元件或系統(tǒng)有一定的電磁屏蔽措施，適當(dāng)?shù)碾姶牌帘伟ㄔ谠O(shè)計中加入導(dǎo)電或磁性材料，作為屏蔽雜散輻射的屏障，法拉第屏蔽是一種常見的方法；其次，工程師可以利用電子過濾，過濾器的作用是阻止不必要的頻率，同時讓所需要的頻率在幾乎沒有影響的情況下通過；最后一種方法是建立適當(dāng)?shù)慕拥兀拥貫?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/電流" target="_blank" class="relatedlink">電流進(jìn)入地面提供了一個通道，這是一個低電動勢（電壓）點，這樣有助于減少不必要電荷的過度積累。 下面讓我們來看看兩個完全不同的電子組件如何協(xié)同工作，從而降低噪音并限制汽車系統(tǒng)中的電磁干擾。 解決方案：電源管理IC 為了降低電磁干擾，ADI發(fā)明了專利靜音開關(guān)技術(shù)，使其在高頻、高功率的情況下具有非常棒的屏蔽電磁干擾的性能。靜音開關(guān)技術(shù)將單個大型開關(guān)回路分割成兩個較小的開關(guān)回路，它的原理是相互抵消磁場，就像法拉第屏蔽一樣。 Silent Switcher® 2架構(gòu)通過在集成電路（IC）內(nèi)部將外部的電壓循環(huán)電容作為內(nèi)部的旁路電容來簡化電路板的設(shè)計與制造，這樣可以大大降低輻射的電磁干擾。將電容內(nèi)部化可以通過最小化噪聲天線來降低電磁干擾。靜音開關(guān)的組件也是單片穩(wěn)壓器，通過集成的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）實現(xiàn)高度的集成，所有這些方法都提升了效率，特別是在更高的開關(guān)頻率下使用時。 Silent Switcher® 2的超低電磁干擾消除了PCB（印刷電路板）布局的敏感性，而降低解決方案成本的一個方法是最小化所需的PCB層數(shù)，盡管這將對性能產(chǎn)生一定的影響。例如工程師不期望2層電路板產(chǎn)生和4層電路板一樣的電磁干擾，一般情況下采用Silent Switcher® 2技術(shù)的2層電路板甚至單層電路板設(shè)計，都具有良好的屏蔽電磁干擾性能，這樣可以大大降低制造成本。 此外靜音開關(guān)提供可選的擴頻調(diào)制，這也有助于降低電磁干擾，靜音開關(guān)和Silent Switcher® 2技術(shù)完全滿足汽車系統(tǒng)對屏蔽電磁干擾的要求。 SoC器件電源設(shè)計 SoC器件在當(dāng)今的汽車系統(tǒng)應(yīng)用中隨處可見，例如信息娛樂系統(tǒng)、攝像機、防撞系統(tǒng)、安全和預(yù)警設(shè)備以及傳感器需要處理的信息越來越多。處理過程必須在高效且獨立運行的系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要額外的功率驅(qū)動，但它要求高效率。由于SoC器件處理的任務(wù)越來越多而且要消耗更大的功率，這可能使得電磁干擾管理變得困難。 新型的高科技汽車系統(tǒng)可能集成了很多不同類型的ARM架構(gòu)處理器核心、數(shù)字信號處理器（DSP）、視頻和圖形處理器以及輔助支持器件。這些組件都需要可靠的電源驅(qū)動，需要的電壓包括：5v、3.3v、1.8v、1.2v、1.1v和0.8v。 為了滿足目前SoC器件的需求，傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制器采用的是MOSFET器件，單片機之所以引人注意是因為其內(nèi)部的MOSFET可以將成本和解決方案尺寸降至最低，但是其電流和散熱能力通常會限制其使用范圍。LT8650S是一款全新的單片降壓靜音開關(guān)穩(wěn)壓器，具備支持當(dāng)前SoC應(yīng)用性能和熱管理的能力。 LT8650S器件 我們來看一下ADI公司最近推出的LT8650S器件：雙通道4A 42V同步降壓靜音電源開關(guān)（靜態(tài)電流6.2μA）（見圖1），它適用于通用降壓應(yīng)用以及汽車和工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品。LT8650S雙通道同步靜音穩(wěn)壓器為SoC應(yīng)用提供了更大的輸入電壓范圍、更優(yōu)的電磁屏蔽性能以及更小的尺寸，同時提供多個高電流輸入，并具備快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。 
圖1：ADI公司最新推出的LT8650S雙通道4A 42V同步降壓靜音電源開關(guān)（靜態(tài)電流6.2μA）（來源：ADI） 它設(shè)計有兩個通道，每個通道同時提供4A和最大6A的電流輸入，并具有超低的靜態(tài)電流突發(fā)模式，當(dāng)輸入電壓VIN=12v，輸出電壓VOUT1=5v，VOUT2=3.3v時其靜態(tài)電流僅6.2μA，紋波小于10mVP-P。此器件可以在低輸出電流的情況下提升效率（輸入12VIN、2MHZ，輸出2A、5VOUT的情況下效率是94.6%；輸入12VIN、2MHZ，輸出4A、5VOUT的情況下效率是93.3%）。在強制連續(xù)模式下允許固定頻率的開關(guān)操作控制整個輸出負(fù)載范圍和擴頻操作，可進(jìn)一步減少電磁干擾。LT8650S可選的外部VC管腳為快速瞬態(tài)響應(yīng)提供了最佳的環(huán)路補償，VC管腳還可以實現(xiàn)電流共享。LT8650S觸發(fā)一個快速的最小開關(guān)時間為40ns，其輸入電壓范圍為3-42V，可調(diào)的同步開關(guān)頻率是300KHz到3MHz，器件大小4x6mm，32個管腳，采用LQFN封裝。 汽車SoC對電源的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)提出了更高的要求，外圍電源負(fù)載電流轉(zhuǎn)換速率在100A/μs，無論負(fù)載如何變化，電源必須使輸出的電壓瞬態(tài)值最小，快速切換頻率如LT8650S系列的2MHz特性，有助于加快瞬態(tài)恢復(fù)。更快的開關(guān)頻率對應(yīng)更快的動態(tài)響應(yīng)和適當(dāng)?shù)沫h(huán)路補償。 功率電感支持低EMI的解決方案 Coilcraft公司提供三種流行風(fēng)格的高性能功率電感器，分為XEL、XAL和XFL系列，這些都屬于Ltral產(chǎn)品系列。XEL和XAL系列采用的都是創(chuàng)新型復(fù)合材料，功率電感器具備非常平緩的電流波動特性。XFL系列也具有平緩的變化特性，它的材料更類似于傳統(tǒng)的鐵氧化材料，比XAL和XEL系列變化速率更大一些。XFL系列具有最低的直流電阻，核心損耗最小。相比XAL系列，新的XEL系列具有更低的交流損耗，而XFL系列的總功率損耗最低（圖2）。對于設(shè)計用于承受高峰值電流的高頻電源開關(guān)而言，XEL系列無疑是最好的選擇。
圖2：這些表格數(shù)據(jù)展示它們重要的區(qū)別，包括XAL、XEL和XFL系列之間電感和電流的關(guān)系，以及功率損失和紋波電流之間的關(guān)系（來源：Coilcraft） ADI的LT8650S演示板卡（DC2407A）選擇使用Coilcraft公司提供的功率電感器進(jìn)行設(shè)計，固定電感器ADI選擇的是符合AEC-Q200的1μH XFL5030-102ME，屬于Coilcraft XAL/XFL功率電感器系列，該系列具有體積小、頻率高、效率高等特性，被新一代靜音開關(guān)器件所選用，當(dāng)然這是ADI工程師評估各方面因素做出的最好決定。 電感技術(shù)有效的降低電磁干擾 Coilcraft XAL/XFL功率電感器采用Coilcraft Ltra技術(shù)生產(chǎn)，Ltra技術(shù)是使用磁性材料（例如鐵粉（Fe））生產(chǎn)電感器的獨特方式，通過模制工藝形成堅固的電感器。該技術(shù)有效地消除了繞組之間的任何空間浪費，從而在相同尺寸的部件中產(chǎn)生更高的飽和電流和更低的DC電阻。 市場的趨勢是設(shè)計DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且不斷提升切換頻率，目標(biāo)是降低所需的電感值，減少電感的尺寸和成本。除了這個目標(biāo)還需要不斷提高組件的效率。隨著開關(guān)頻率的增加，頻率相關(guān)的損失和核心損耗（交流損耗）變得越來越重要，需要讓設(shè)計在高開關(guān)頻率下正常工作，這就提出了更多的要求。Ltra技術(shù)的復(fù)合材料核心是在2MHz的開關(guān)頻率下具備更佳的效率。 Ltra產(chǎn)品采用大型端子設(shè)計，具有最佳的焊接管腳和熱管理。大型端子也可以在沒有熱點的情況下傳輸更高的電流，保持較好的散熱，從而提高器件的長期可靠性。這些元件的緊湊尺寸設(shè)計讓它們在PCB上更好的布局，降低了整體解決方案的尺寸。 Ltra技術(shù)旨在為市場提供非常強勁的零部件，其堅固的形狀、強大的機械和振動應(yīng)對能力使它們能夠適合惡劣的環(huán)境，如汽車、工業(yè)和便攜式電子應(yīng)用等，Ltra具有優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性，在-40℃到+125℃的溫度范圍內(nèi)飽和曲線的變化小于3%，并且符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)。 一些電感核心材料表現(xiàn)出一種稱為熱老化的負(fù)特性，當(dāng)電感發(fā)生熱老化時，隨著時間和溫度的增加，效率會降低，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)熱量增加，這樣會進(jìn)入惡性循環(huán)。電感器和電路的過熱可能超過額定溫度范圍，有時會造成災(zāi)難性的后果，Coilcraft Ltra材料體現(xiàn)了消除熱老化問題的重要特性。 Ltra技術(shù)也有效的降低了電磁干擾，整個線圈采用磁性材料將有害的電磁干擾信號降低到最少，線圈通量由線圈本身決定，允許更加緊湊的線圈設(shè)計方式，線圈間電流屏蔽效果也更好。 Coilcraft公司推出的功率電感器系列包括豐富的可選組件，這使得工程師能夠根據(jù)自己的具體設(shè)計選擇不同型號的電感器，不同尺寸和不同功率級別的器件所具備的參數(shù)都經(jīng)過了優(yōu)化，每種型號都具有獨特的性能優(yōu)勢。 這些功率電感器具有更低的DCR特性，DCR表示的是電感器的電阻值，是由電感器線圈材料的電阻值決定的。 這些功率電感器具有足夠的飽和電流（ISAT），由于散熱速率的原因，ADI公司通常不會將每個通道的電流限制設(shè)計到最大，對于這種器件，每個通道的電流限制為4A，兩個通道可同時正常工作，當(dāng)只有一個通道啟用時每個通道的限制電流可達(dá)到6A。 總結(jié) 今天的汽車和工業(yè)市場需要提供高效率、高頻率和低電磁干擾的電子解決方案。文中提供了一個具體的解決方案示例，展示了ADI的Silent Switcher® 2穩(wěn)壓器和Coilcraft的功率電感器是如何協(xié)同工作，為用戶提供低電磁干擾解決方案。你現(xiàn)在可能唯一需要擔(dān)心的汽車噪音可能是來自后座上孩子們尖叫式的催促聲：“我們到了嗎？” 文章來源：貿(mào)澤電子 作者簡介：Stephen Evanczuk在電子行業(yè)有20多年的寫作經(jīng)驗，涉及廣泛的主題，包括硬件、軟件、系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用。他獲得了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，并在航空航天行業(yè)從事大規(guī)模分布式安全系統(tǒng)和算法加速方法的研究。目前，他在寫技術(shù)和工程方面的文章的閑暇之時，還在研究深度學(xué)習(xí)在識別和推薦系統(tǒng)中的應(yīng)用。 |
