提高資訊娛樂系統功率密度的設計考慮

作者 : Sahana Krishnan,EDN特約作者

本文討論在不影響資訊娛樂系統性能時提高功率密度的設計技巧...

如今,人們希望在自己舒適的車內獲取更多的娛樂和資訊。「資訊娛樂」(infotainment)一詞本身就表達了這些功能。當審視驅動這些系統的要素時,會發現一個恒定的驅動力,即在更小的空間中整合更多功能。因此,在此所帶來的挑戰是如何在提高功率密度的同時仍然保持高度性能。

然而,如果元件佈局和佈線不當,具有更高功率密度的緊湊佈局將會增加電磁干擾(EMI)這類的潛在挑戰。本文將討論一些在不影響性能時提高功率密度的設計技巧。

資訊娛樂電源架構

許多資訊娛樂系統的電源設計都遵循類似的架構。汽車電池用作電源的輸入,並且由於冷車發動和負載突降等不同條件,通常在很寬的輸入電壓範圍內工作。電池為寬輸入電壓降壓轉換器供電,該轉換器輸出中間匯流排電壓。常見的中間電壓是5V或3.3V電壓軌。該電壓軌為線性穩壓器(LDO)和低輸入電壓降壓轉換器等下游設備供電,這些設備可為各種負載提供所需的電源。這些負載包括網路通訊協定介面、連接模組和各類感測器。對於非電池類降壓轉換器,通常都會在前端設置一個輸入濾波器,以減輕特定頻率下的EMI問題。

一個資訊娛樂系統應用的電源樹示例如1所示。在寬輸入電壓降壓轉換器和低輸入電壓降壓轉換器之間採用了一個負載開關,這有助於減小靜態電流消耗,從而最大限度地延長電池壽命。此外,LDO用於3.3V/10mA電源軌。對於像這樣的小電流電壓軌,為了節省設計成本和空間,應該使用LDO而不是降壓轉換器。

1:該電源樹顯示汽車中資訊娛樂系統的供電方式。(資料來源:Texas Instruments)

為了增加此類解決方案的功率密度,電源設計師採用了一些新技術,如採用更高的開關頻率(以減少設計中主要功耗來源)以及緊湊佈局佈線技術。

開關頻率和被動元件尺寸

提高功率密度的一種方法是提高開關頻率。在降壓轉換器中,電路中的每個被動元件會在每個開關週期內儲存並釋放能量。開關速度提高後,每個週期緩衝的能量將減少。開關頻率提高後,可以使用更小的電容器和電感器這類被動元件。由於輸入電壓紋波減小,可以減小輸入電容。由於更快的環路頻寬,輸出電容也將減小。

電感與開關頻率成反比,如下等式所示:

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

其中L=電感,D=工作週期,Fsw=開關頻率,IL=電感器電流紋波,VL=電感器兩端的電壓(也可以寫為VOUT–VIN)。在1中資訊娛樂電源樹的解決方案中,所有轉換器的開關頻率均為2.1MHz。

功率耗損增加

遺憾的是,提高開關頻率是以增加功率耗損為代價的。每個穩壓器及其相關元件的功耗將決定實際可以增加多少功率密度。2顯示電源電路中各種外部元件的主要功耗類型。

2:電源電路元件中常見的損耗類型。(資料來源:Texas Instruments)

除了最佳化上述外部元件外,在選用IC時還要注意封裝的熱性能。某種封裝的散熱性能越好,所能耐受的功耗就越大,溫度就不會升高太多。汽車系統的一個特殊考慮是,要選擇符合汽車標準的元件和被動元件。這些元件需符合汽車可靠性和穩健性要求,並且包括可以改善EMI的功能,例如擴頻調變。

基本佈局技巧

如果佈局佈線不好,即使是最好的電源解決方案也無法運作得太好。在原理圖級最大限度地提高功率密度後,仍然需要注意因不當的元件放置和佈線而可能引發的問題,這其中之一就是EMI。

在同步降壓轉換器中,隨著開關的動作,電壓隨時間變化(dv/dt),電流也隨時間變化(di/dt),這將產生傳導輻射。這些波形中含有高次諧波,很容易耦合到電路板上的其他元件中。隨著開關速度的提高,電壓或電流會有更多的瞬變,EMI的處理將變得更加複雜。

3所示為1資訊娛樂系統電源樹的具體佈局。PCB元件周圍的彩色框與1中的框圖顏色相對應。佈局非常緊湊,PCB尺寸為1.20英吋x1.06英吋,且背面未放置任何元件。

3:該資訊娛樂系統電源的電路板尺寸僅為1.20英吋x1.06英吋。

元件佈局時,應使輸入連接器遠離任何潛在的雜訊源。這將避免雜訊透過寄生元件繞過前端濾波。在4中,輸入連接器以紅色標出。EMI濾波器用粉紅色標出,寬輸入電壓轉換器輸入電壓用黃色標出。濾波器周圍的遮罩接地將濾波器與其他產生雜訊的元件隔離開,有助於降低EMI。

4:電源設計中EMI前端濾波器佈局。

設計師還應將降壓轉換器的高頻開關迴路中的電感降至最低。該路徑包括輸入電容器、高壓側FET、低壓側FET和到輸入電容器的接地迴路。5a所示的是這個特定的資訊娛樂系統中,四負載點(PoL)轉換器(U4)中的一個。輸入電容器(C19)和高頻輸入電容器(C22)盡可能靠近IC放置,以最大限度地縮減迴路電感。這些電容器用紅色標出,將關鍵路徑(黃色)減到最短。高壓側和低壓側FET已被整合到IC中。

5:頂層上靠近IC放置電容器(5a),而轉換器移到底層右側(5b)

5b所示,該轉換器和其他類似轉換器移向整體解決方案的右側,以最大限度地提高EMI濾波的效率並增加佈局緊湊性。

符合EMI要求是電源設計中最具挑戰性的難題之一。雖然在設計中設置濾波器是一種很好的做法,但很可能在電路板測試期間,還需要對濾波器元件進行調整,以滿足特定的EMI標準。

6:用於資訊娛樂電源系統測試的PCB板。

7中,顯示了電路板的熱成像。結果表明,即使佈局緊湊,也能夠獲得良好的熱性能。在沒有氣流散熱的情況下,電路板工作10分鐘後,最高溫度為69.3℃。

7:該電路板頂層的熱成像是在VIN=13.5V,且所有電源軌上的負載均為最大條件下的結果。

正如在本文中所看到的,當今汽車資訊娛樂系統的重點是將解決方案整合在一個更小空間,同時仍需實現高性能。將注意力集中在開關頻率和功耗等關鍵設計上,則能夠最佳化各個元件,從而實現緊湊的尺寸。接下來的是採用良好的佈局技術,消除EMI的主要來源。以上這些是實現高功率密度、高性能解決方案的關鍵。

(參考原文:Design considerations for boosting power density in infotainment,by Sahana Krishnan)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年1月號雜誌

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