功率电感器支持低EMI解决方案

回到我十几岁的时候,我得到了第一份工作来节省足够的钱买立体声音响。经过几个月的保存,我把钱带到了一家电子商店,购买了带转盘,8轨磁带播放器和磁带播放器的AM / FM立体声系统。我甚至出去买了各种摇滚唱片,电吉他和放大器。从那天开始,我所有的父母似乎都说,“拒绝那声音!”

电磁干扰

好吧,我仍然创造了相当多的球拍,但作为一名技术专家,现在,我处理的噪音水平问题比我保持各种电子系统和设计产生虚假电磁干扰(EMI)的问题少。已知EMI是从外部源渗透到电子电路中的不需要的电信号。电磁感应,静电耦合或传导是产生EMI的原因。本文重点介绍如何正确设计电子解决方案,以帮助工程师“降低噪音”:限制汽车和工业应用中的EMI,使干扰不成问题。

汽车

一个经历控制EMI需求的巨大影响的领域是汽车创新。随着交通改造,汽车市场预计将在未来15年内翻一番。这种转变的一部分将是电子行业的副产品及其提供以前不存在的新服务的能力。这些创新将依赖于塑造未来的四项关键技术。ACES的首字母缩略词反映了关键技术:
  • 答:自动化
  • C:连通性
  • E:电动
  • S:共享

标准:CISPR

汽车行业通常根据ComitéInternationalSpécialdesPerturbationsRadioélectriques--即国际无线电干扰特别委员会(CISPR)标准开展工作。CISPR 25 Class 5测试标准是汽车标准。汽车中使用的电子设备,系统,标准和可选功能以及配件组件的快速和持续增长以及混合动力和全电动汽车的发展正在推动这一市场的发展。

EMI来源

内部和外部源都会产生EMI。由于车辆内的电子解决方案的数量不断增加,并且它们必须作为一个有机整体运行,没有对其他系统产生过多的EMI干扰,因此最大限度地减少单个和集体EMI产生源是最重要的。车辆的内部和外部EMI产生源可以包括:安全气囊,Bluetooth技术设备,控制器局域网(CAN)总线接口,防撞系统(例如,光检测和测距(LIDAR)/雷达),巡航控制,直流(DC)电机,电子制动系统,电子控制单元(ECU),燃料控制系统,游戏系统,车库门开启器,全球定位系统(GPS),点火系统,车载安全和安保系统,信息娱乐系统,动力转向,

EMI问题

现代汽车利用产生EMI的开关电源并使周围系统暴露于这种不希望的干扰。汽车内开关电源数量的不断增加,以及物理尺寸,接近度,对高电效率的需求,在强热应力下运行的需求以及对长寿命的需求都需要能够满足的电子产品这些恶劣的环境要求。
随着自动驾驶汽车开始进入市场,EMI问题将变得越来越重要。原因是整个车辆及其乘员的安全将取决于适当的系统操作,因为人类驾驶员对车辆产生控制,行进和安全。

减少

美国博学家本杰明富兰克林(Janjamin Franklin,1705-1795)的一句谚语称,“一克(盎司)的预防价值一公斤(英镑)治疗(1735年)。” 这句谚语传达了这样一个事实:电子设计师应该在所​​有内容集成在一起之前就考虑EMI问题,因为如果他们没有在设计的前端花费大量的思想,那么对它进行修正会花费更多。后端。
电子工程师通常有三种主要方法来降低EMI。第一步可包括确保电子部件或系统携带适当的电磁(EM)屏蔽。适当的EM屏蔽涉及在设计中添加导电或磁性材料,以作为阻止杂散辐射场的屏障。应用法拉第屏蔽是一种常见的方法。其次,工程师可以利用电子过滤。滤波器用于阻止不需要的频率,同时让所需频率通过而几乎没有效果。最终的EMI降低方法是建立适当的电气接地。接地为电流提供通向地(地)的通路,这是一个低电位(电压)点。接地有助于减少不良电荷的过度积累。
现在让我们来看看两个完全不同的电子元件如何协同工作以降低噪音并限制汽车中的EMI问题。

解决方案:电源管理集成电路

美国模拟器件公司(ADI)是全球高性能模拟技术公司领先的专注于解决最棘手的工程挑战。作为数据转换和信号调理技术的全球领导者,ADI公司承认全行业,通过智能桥接物理和数字技术,利用感知,测量,供电,连接和解释的无与伦比的技术,解读他们周围的世界。为此,ADI推出了一系列可以解决各种问题的产品,为需要低EMI的应用提供了出色的解决方案。
为了降低EMI,ADI发明了他们的专利SilentSwitcher®技术,该技术可在高频,高功率电源情况下实现出色的抗EMI性能。Silent Switcher技术将单个最大的动力热循环分成两个较小的动力热循环,这些热循环策略性地定位以抵消彼此的磁场,其作用方式与法拉第屏蔽相同。
SilentSwitcher®2架构是该技术的下一代产品。它通过在集成电路(IC)内部集成外部热和热回路电容作为内部旁路电容,简化了电路板设计和制造,从而降低了辐射EMI。内置电容器可通过最小化噪声天线尺寸来降低EMI。Silent Switcher部件也是单片稳压器,通过集成的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)提供高级集成。所有这些实现都可以提高效率,尤其是在更高的开关频率下。
Silent Switcher 2设计的超低EMI消除了印刷电路板(PCB)布局的灵敏度,降低解决方案成本的一种方法是尽量减少所需的PCB层数,尽管这会产生性能折衷。例如,设计人员不希望2层板解决方案能够产生4层解决方案的等效EMI性能。通常,Silent Switcher 2技术可以在2层板甚至单层板上实现出色的EMI性能,从而大大降低制造成本。
此外,Silent Switcher还提供可选的扩频调制,有助于降低EMI。Silent Switcher和Silent Switcher 2稳压器可满足汽车环境中苛刻的EMI辐射要求。

为芯片供电系统

在今天的汽车中都可以找到片上系统(SOC)器件。信息娱乐系统,照相机,防撞系统,安全和警告设备以及传感器正在处理越来越多的信息。处理必须在高效但独立的系统中完成,无需额外的电力,但需要高效率。由于SoC做得如此之多,因此它们经常消耗功率,从而难以管理EMI。
新的高科技车辆可能包含各种各样的Arm核心,数字信号处理器(DSP),视频和图形处理器,以及辅助支持设备。这些组件中的每一个都需要可靠的电源,可能包括以下电压轨:5V,3.3V,1.8V,1.2V,1.1V和0.8V。
为了支持当前SoC需求水平,带有外部MOSFET的开关电源控制器是单片功率器件的传统选择。单片器件非常引人注目,因为它们的内部MOSFET可最大限度地降低成本和解决方案尺寸,但其传统上受限的电流能力和散热问题通常会限制其使用。LT8650S是一款新型单片,降压型静音开关稳压器,具有支持SoC的电流能力和热管理功能。

LT8650S

让我们考虑ADI公司(Power by Linear™)最新发布的LT8650S - 双通道4A,42V,同步降压静音开关2,具有6.2μA静态电流图1),专为包含通用降压和汽车的应用而设计和工业用品。LT8650S双通道,同步,单片,静音开关2稳压器为SoC应用提供宽输入电压范围,出色的抗EMI性能和小尺寸解决方案,同时提供多个高电流输出和快速瞬态响应。
ADI公司的LT8650S双通道4A,42V,同步降压静音开关2

图1:该图描绘了最新版本的ADI(Power by Linear):LT8650S双通道4A,42V,同步降压静音开关2,具有6.2μA静态电流。(来源:ADI公司)
它有两个通道 - 每个通道能够同时提供4A,在任一通道上可提供高达6A的通道。它有6.2μA我的超低静态电流BurstMode®操作Q调节12V时IN至5V OUT1和3.3V OUT2与<10mV的的低输出纹波沿P-P 。该器件提供高效率(在图2A 94.6%的,5V OUT从12V IN于2MHz和在图4A 93.3%的,5V OUT从12V IN在2MHz时,在低输出电流时,强制连续模式允许在整个输出负载范围内进行固定的开关频率操作和扩频操作,这可以进一步降低EMI辐射。LT8650S的可选外部VC引脚可实现最佳环路补偿,实现快速瞬态响应。VC引脚还可以允许电流共享。LT8650S触发40ns的快速最小接通时间。它采用3至42V的宽输入电压范围,可调节和同步允许的开关频率(f sw)为300kHz至3MHz,采用小型4×6mm,32引脚,薄型四方扁平无引脚( LQFN)包。
汽车SoC对电源的负载瞬态响应提出了很高的要求。外设电源的负载电流压摆率为100A /μs,核心电源的负载电流压摆率更高,这种情况并不少见。无论负载如何变化,电源都必须将输出电压瞬变降至最低。快速开关频率(例如LT8650S系列的2MHz功能)有助于加速瞬态恢复。更快的开关频率对应于具有适当环路补偿的更快的动态响应。

功率电感器支持低EMI解决方案

Coilcraft是全球领先的磁性元件供应商,如高性能射频(RF)芯片电感器,功率磁性元件和滤波器。除了作为众多标准组件的供应商之外,Coilcraft还是设计和制造定制磁性元件的公认领导者,以满足客户对各种行业(包括汽车和工业)应用的精确电气要求。Coilcraft被工程师视为首选供应商,因为它在质量,可靠交付,工程支持以及产品的卓越性能方面享有盛誉,这些产品在汽车和工业等市场都至关重要。
Coilcraft提供三种流行的高性能模压功率电感器,在Ltra产品系列中被指定为 XEL,XAL和XFL系列。XEL系列和XAL系列都是创新的复合材料,功率电感器,旨在提供非常柔和的电流饱和曲线。XFL系列提供柔和的饱和度曲线,但它与传统的铁氧体组装部件更相似,并且比XAL和XEL更快地下降。XFL具有最低的直流电阻(DCR),低磁芯损耗和低外形。与XAL相比,新XEL具有更低的交流电流(AC)损耗,而XFL具有最低的总功率损耗(图2),多部分)。对于设计用于承受高峰值电流的高开关频率功率转换器,XEL是最佳选择。
部分 L(μH,标称值) DCR(mΩ,典型值) 我SAT(30%)(A)
XEL4020-222 2.2 35.2 5.9
XAL4020-222 2.2 35.2 5.6
XFL4020-222 2.2 21.4 3.7

chart1

chart2

chart3

图2:这些表格提供了重要差异的视图,包括电感与电流关系以及XAL,XEL和XFL系列之间的功率损耗与纹波电流关系。(来源:Coilcraft)
ADI公司选择将Coilcraft的功率电感器用于其LT8650S演示板(DC2407A)设计。固定电感ADI的选择是XFL5030-102ME,1μH,AEC-Q200- Coilcraft XAL / XFL功率电感器系列的成员。该系列器件因其更小的尺寸和更高频率的更高效率而被选中与新一代Silent Switcher 2芯片配合使用。各种因素使得ADI设计师做出了出色的决定。

电感技术可降低EMI

Coilcraft XAL / XFL功率电感器采用Coilcraft的Ltra技术生产。Ltra技术是使用磁性材料(例如铁粉(Fe))生产电感器的独特方式,通过模制工艺形成固体,组合体形状。该技术有效地消除了绕组之间的任何浪费空间,从而在相同尺寸的部件中产生更高的饱和电流和更低的DC电阻。
市场趋势旨在设计具有增加的开关频率的DC / DC转换器,并且目标是降低所需的电感值以及功率电感器的尺寸和成本。与此目标一起,还需要提高组件效率。随着开关频率的增加,频率相关的损耗和磁芯损耗 - 交流损耗 - 变得相关,然后对设计成以高开关频率工作的特定部件发生请求。Ltra技术复合材料内核在2MHz开关频率下提供更高的效率。
Ltra产品采用大型端子设计,可提供最佳的焊点强度和热管理。大型终端还可以承载高电流额定值而不会产生热点,保持较冷的部件并提高长期可靠性。这些组件的紧凑尺寸允许在PCB上更紧密的位移,从而减小整体解决方案尺寸。
Ltra旨在为市场提供非常坚固的部件。其坚固的外形和强大的抗机械和振动应力使其适用于汽车,工业和便携式电子应用等恶劣环境。Ltra具有出色的温度稳定性。在-40°C至+ 125°C的温度范围内曲线的饱和度变化低于3%。这些产品符合AEC-Q200 1级标准。
一些电感器芯材料表现出称为热老化的负性质。当电感器发生热老化时,随着时间和温度的应用,效率会变差。效率损失导致更多的热量,这再次降低了效率,导致更多的热量等。电感器和电路可能会超出可接受的额定值 - 有时会产生灾难性的影响。Coilcraft Ltra材料采用特殊工程设计,可消除热老化问题。
Ltra技术还可通过有效屏蔽降低辐射EMI:整个线圈体中存在磁性树脂,可最大限度地减少有害EMI辐射,并且线圈体中包含的边缘通量可以将元件和电流迹线放置到非常接近。
Coilcraft在其功率电感器系列中的部件尺寸允许提供充足的选择。这使设计人员能够根据所考虑的具体设计选择不同的电感器。凭借不同的尺寸,优化的参数和不同的功率水平,每种风格都具有独特的性能优势
这些功率电感器提供低DCR。DCR表示由于绕组中使用的导线的电阻而导致的电感器的电阻(欧姆)。
这些功率电感器还提供足够的饱和电流(I SAT)。由于热降额,ADI通常不会超出每个通道的电流限制 - 对于此设备,每个通道均为4A,两个通道同时运行,而当只有一个通道打开时,每个通道仅有6A。

结论

今天的汽车和工业应用需要能够提供高效率,高频率和低EMI的电子解决方案。一个特定的解决方案示例突出了ADI的Silent Switcher 2稳压器和Coilcraft的功率电感器是如何协同工作以提供您所需的低EMI解决方案的产品。你现在需要担心的汽车中唯一的嘈杂排放物是后座的孩子尖叫着,“我们还在吗?”

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