Cómo diseñar mejores fuentes de alimentación conmutadas de alta corriente para los ADAS de los vehículos

Resumen

Todos los fabricantes de automóviles están mejorando sus ADAS para ayudar a los conductores a conducir y aparcar. Los ADAS en evolución consumen más energía que sus predecesores. En consecuencia, los reguladores de conmutación de baja corriente ya no pueden satisfacer esta creciente necesidad de potencia. Este artículo ofrece dos conmutadores silenciosos monolíticos de alta corriente® los controladores buck, LT8638S y LT8648S, son una posible solución. Se presentan los circuitos de aplicación de ambos controladores. Los resultados de las pruebas de eficiencia, temperatura y emisiones muestran que los LT8638S y LT8648S son candidatos ideales para la fuente de alimentación de los ADAS, que se está desarrollando rápidamente.

Introducción

Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) son cada vez más importantes en los vehículos de motor actuales. Mejoran la seguridad del conductor y de la carretera al minimizar los errores humanos. Los primeros ADAS sólo incluían una función de asistencia al conductor automatizada, como el control de crucero adaptativo que utilizaba un único sensor de radar. Hoy en día, se están añadiendo cada vez más funciones ADAS a los vehículos de motor, como el aparcamiento automático de emergencia, el control del ángulo muerto, la advertencia y evitación de vehículos/peatones, la advertencia y asistencia de cambio de carril, etc. La evolución de los ADAS implica que estos nuevos vehículos deben consumir más energía que nunca, debido al mayor número de sensores y cámaras, al potente procesamiento de datos en tiempo real y a la informática, y a las comunicaciones de muy alta velocidad. Por ejemplo, la primera generación de ADAS System-on-Chip (SoC), como el Mobileye EyeQ de 2008, sólo consumía entre 2W y ~3W. Los SoCs ADAS lanzados recientemente, como el NVIDIA® Xavier™, consumen de 20 W a ~30 W o más debido a sus potentes capacidades de procesamiento de datos y computación. La alimentación del ADAS procede de una batería de 12 V. Primero se convierte en un carril de alimentación intermedio de 5V o 3,3V, y luego se convierte en varios voltajes bajos que necesitan el núcleo de un SoC, las interfaces, los periféricos, etc. A medida que aumenta el consumo de energía del SoC ADAS, el convertidor de carril intermedio debe ser capaz de proporcionar una salida de
10 A o más para cumplir este requisito

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Una solución tradicional para diseñar una fuente de alimentación intermedia de alta corriente es utilizar reguladores buck. Sin embargo, el tamaño total de la solución de este método es grande, debido a la necesidad de MOSFETs externos. Por lo tanto, es difícil encajar la solución de potencia del controlador en un espacio reducido, lo cual es una situación común para la aplicación ADAS en la automoción. Otra preocupación de las fuentes de alimentación conmutadas en los vehículos es la emisión electromagnética. Los diseñadores de fuentes de alimentación se enfrentan a los estrictos límites de emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas, que son obligatorios en la industria del automóvil. A medida que aumenta el consumo de energía, estos criterios de emisión electromagnética son más difíciles de cumplir. Para cumplir con las limitaciones de potencia, tamaño y emisiones electromagnéticas, Analog Devices ha desarrollado dos reguladores monolíticos de alta corriente Silent Switcher de 42 V: LT8638S y LT8648S.

Solución compacta de potencia pico de 10 A/12 A con el LT8638S

El LT8638S es un regulador buck monocanal de 42 V y 10 A que incluye todos los circuitos de control y los MOSFET en un encapsulado LQFN de 4 mm × 5 mm. Su corriente de salida es de hasta 12 A durante una
hasta 12 A durante un corto periodo de tiempo. El LT8638S es un candidato perfecto para la barra de potencia intermedia de 10 A. La figura 1 muestra un esquema típico del LT8638S de 5 V/10 A. La frecuencia de conmutación del LT8638S es ajustable entre 200 kHz y 3 MHz. La tabla 1 enumera los principales componentes del circuito LT8638S de 400 kHz y del circuito LT8638S de 2 MHz. La figura 2 muestra el rendimiento y el aumento de temperatura del LT8638S en la placa de demostración DC2929A a 400 kHz y 2 MHz, respectivamente

Figura 1: Una fuente de alimentación de 5 V/10 A utilizando el LT8638S.

Figura 2: Eficiencia y aumento de temperatura de los circuitos de la figura 1.

Tabla 1. Componentes de los esquemas de la figura 1
Frecuencia de conmutación400 kHz2 MHz
L13.3 µH (10 mm x
11.3 mm × 10 mm)
0.56 μH (6,36 mm ×
6.56 mm × 6,1 mm
COUT47 µF × 347 µF × 1
Rt105 kΩ16.9 kΩ
Rc9.31 kΩ13.7 kΩ
Cc820 pF220 pF
CPL33 pF10 pF
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Comparando el circuito LT8638S de 400 kHz con el circuito LT8638S de 2 MHz, la huella del inductor de 400 kHz es 2,5 veces mayor que la del inductor de 2 MHz, y el condensador de salida
el condensador de salida de 400 kHz es 3 veces mayor que el de 2 MHz. Así, para aplicaciones sensibles al tamaño y al coste, es preferible la frecuencia de conmutación de 2 MHz. Las principales preocupaciones que impiden a los ingenieros de diseño de fuentes de alimentación utilizar 2 MHz son la eficiencia y el rendimiento térmico, ya que las pérdidas de conmutación pueden aumentar considerablemente a una frecuencia de conmutación elevada. El LT8638S aborda estos problemas mediante
minimizar las pérdidas de conmutación con bordes de conmutación rápidos, como se muestra en la figura 3. En la Figura 2, el aumento de temperatura del LT8638S es de sólo 60°C con una potencia de salida de 50 W a
frecuencia de conmutación de 2 MHz. La diferencia de eficiencia entre 2 MHz y 400 kHz es inferior al 1,5% para una potencia de 10 A

Figura 3: Bordes de conmutación del LT8638S a 12 V de entrada y 10 A de carga.

Los bordes de conmutación rápidos son buenos para la eficiencia a una frecuencia de conmutación alta, pero pueden agravar las emisiones electromagnéticas. El LT8638S está equipado con
La arquitectura del Conmutador Silencioso, que le permite funcionar tanto con bordes de conmutación rápidos como con emisiones electromagnéticas significativamente reducidas en una solución mucho más pequeña. La figura 4 muestra una
circuito LT8638S a 2 MHz con muy baja EMI. Para conseguir el mejor rendimiento EMI, el controlador funciona en modo de espectro ensanchado conectando el SYNC/MODE
pin con INTVCC pin. La figura 5 muestra las emisiones del LT8638S del circuito de la figura 4, con la configuración de prueba definida en la norma CISPR 25. Las líneas rojas representan los límites de la clase 5 de la norma CISPR 25
los límites de la clase 5, que son las especificaciones de emisiones más estrictas de la industria del automóvil. Con muy pocos componentes adicionales generadores de filtros de entrada, como se muestra en la Figura 4, el LT8638S puede cumplir los estrictos límites de pico y promedio de la norma CISPR 25 Clase 5.

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Figura 4. Un circuito LT8638S de muy baja EMI.

Figura 5: IEM radiada y IEM conducida del circuito de la figura 4 (entrada de 12 V a salida de 3,3 V a 10 A).

Solución de fuente de alimentación monolítica de mayor corriente utilizando el LT8648S

Un ADAS complejo requiere más de un SoC, así como múltiples cámaras y sensores. Por ejemplo, un ADAS manos libres podría incluir varios chips que consumen mucha energía
chips que consumen mucha energía y hasta 11 cámaras. El LT8648S tiene una mayor capacidad de corriente de salida que el LT8638S. Se ajusta al raíl de alimentación intermedio que requieren estos complicados ADAS.
Como regulador buck monolítico de 42 V y 15 A, la corriente de salida y el nivel de potencia del LT8648S se acercan a una solución de regulador de potencia que utiliza MOSFETs externos. Su capacidad de corriente puede ampliarse aún más poniendo en paralelo varios LT8648S

La figura 6 muestra un esquema de 3,3 V/25 A, 2 MHz utilizando dos LT8648S en paralelo. Los dos reguladores LT8648S tienen una entrada y una salida comunes. Los pines EN/UV y SS se conectan para asegurar que ambos controladores arrancan simultáneamente con la misma velocidad de giro. El LT8648S utiliza el control del modo de corriente de pico, por lo que la salida de la VC tensión correlacionada con la corriente de carga.
Conectando VC y FB, los dos LT8648S en paralelo pueden lograr un buen equilibrio de la corriente sin necesidad de circuitos adicionales. El pin CLKOUT del U1 LT8648S
se conecta al pin SYNC/MODE del U2 LT8648S. Con esta conexión, dos controladores LT8648S se sincronizan con un desplazamiento de fase de 180°

Figura 6. Aplicación de 2 MHz 3,3 V/25 A utilizando dos LT8648S en paralelo.

La figura 7 muestra el rendimiento y el aumento de temperatura del circuito de la figura 6. U1 y U2 tienen casi la misma temperatura, lo que indica un buen equilibrio de la corriente en esta aplicación en paralelo
esto indica un buen equilibrio de la corriente en esta aplicación paralela. La alta frecuencia de conmutación y la compensación externa permiten una rápida respuesta transitoria. La figura 8 muestra la respuesta transitoria de la carga del circuito mostrado en la figura 6.

Figura 7. El rendimiento y el aumento de temperatura del circuito se muestran en la figura 6.

Figura 8. Respuesta transitoria de la carga de 10 A a 20 A del circuito mostrado en la Figura 6.

Conclusión

Este artículo presenta dos reguladores monolíticos Silent Switcher de 42 V de alta corriente, el LT8638S y el LT8648S. Sus altas eficiencias y emisiones ultrabajas alivian las preocupaciones térmicas y de EMI en los duros entornos de las aplicaciones de automoción. Con MOSFETS integrados, los LT8638S y LT8648S ofrecen una solución de tamaño reducido para las fuentes de alimentación intermedias de alta corriente que requieren los sistemas ADAS de automoción, en rápida expansión.

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