無論是新能源汽車還是傳統(tǒng)汽車，車內的電子電氣部件都占據著極大的比重，所以一款解決方案是否可以在非常小的板子上實現寬電壓范圍供電、大功率、高效率、低EMI，同時能夠在車用環(huán)境下實現良好的散熱對車用Type C系統(tǒng)來說就顯得十分重要。本文以ADI低EMI、4開關、降壓-升壓DC/DC轉換器 LT8390/LT8390A為例，探討汽車中的USB Type-C電源設計面臨的挑戰(zhàn)和解決思路。LT8390A在2 MHz開關頻率時，它可提供5 V至15 V的輸出電壓（3 A時最高45 W），以通過汽車電池為USB Type -C設備供電。

 

 

1 車用Type C供電挑戰(zhàn)之寬電壓范圍

 

汽車電池和類似的寬電壓范圍電源都是較為復雜的，它們需要提供保護且要求能夠高效的進行降壓和升壓轉換。傳統(tǒng)的降壓電路并不能滿足Type C系統(tǒng)的供電要求，這時就需要一個比較復雜的升降壓電路來完成Type C系統(tǒng)的供電要求。LT8390是一款同步、四開關降壓-升壓型DC/DC控制器，可以在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下調節(jié)輸出電壓、輸入或輸出電流。該器件專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案允許執(zhí)行可調和可同步的150kHz至650kHz固定頻率操作，或用于實現低EMI的內部±15%三角擴展頻譜頻率調制。LT8390具有4V至60V的輸入電壓范圍、0V至60V的輸出電壓能力，并可在工作區(qū)之間實現無縫低噪聲轉換，因而非常適合于汽車、工業(yè)、電信、甚至電池供電型系統(tǒng)中的電壓調節(jié)器、電池和超級電容器充電器應用。

 

2 車用Type C供電挑戰(zhàn)之高溫度

 

在汽車電子系統(tǒng)之中，溫度的管理一直是個挑戰(zhàn)，一般會要求系統(tǒng)能夠正常工作在-40°C ~ + 65°C的環(huán)境溫度之下。而機殼之內的環(huán)境溫度還會有20°C左右的溫升，所以PCB板實際需要承受的最高環(huán)境溫度會高達+ 85°C或者更高。電源、CPU等模塊作為汽車電子系統(tǒng)的發(fā)熱大戶，更一步加劇了機殼內的環(huán)境溫度，嚴苛的環(huán)境實際上已經逼近很多芯片的耐溫極限了。因此，在系統(tǒng)設計的初期，必須規(guī)劃好熱管理策略以及設計對應的措施。下圖所示的降壓-升壓轉換器就是一個典型的例子，支持VIN = 9V-36V、VOUT = 12V和IOUT = 25A，能夠實現300W的功率輸出。在滿載情況下，所有模式——升壓、降壓和降壓-升壓——的效率都保持較高。這使得LT8390能夠在所有輸入條件下進行調節(jié)，而不會出現過熱現象。當然，我們在使用的時候可以添加冷卻元件以提高功率能力。

 

 

另外，當熱性能成為創(chuàng)建高功率穩(wěn)壓器系統(tǒng)的限制因素時，LT8390還能夠并聯運行，以提高總輸出功率能力，同時在輸入電壓范圍內保持可接受的工作溫度。即使在更高的輸出功率下，并聯LT8390系統(tǒng)也表現出與單相LT8390系統(tǒng)類似的熱性能，因為輸出功率和熱耗散被分擔在兩個轉換器之間。在改善熱性能的同時，并聯LT8390系統(tǒng)還采用了失相驅動，有效降低了系統(tǒng)的輸出紋波。

 

3 車用Type C供電挑戰(zhàn)之低EMI

 

低EMI是汽車電子產品的基本設計要求。開關穩(wěn)壓器的EMI通常用EMI濾波器和電子屏蔽來緩解，但會增加穩(wěn)壓器的成本和尺寸。電源設計者也可以選擇開關頻率以避開一些EMI約束，但會嚴重限制電源設計者在效率和解決方案尺寸方面的選擇。為了減少設計時間和成本，LT8390A具有多種獨特的降低EMI的特性，可實現高功率轉換和低噪聲性能，從而簡化其在汽車系統(tǒng)中的實施。

 

LT8390A是一款獨特的2 MHz同步四開關降壓-升壓控制器，其他四開關控制器之間的顯著差異在于電感電流檢測電阻的位置。大多數四開關降壓-升壓控制器往往使用接地基準電流檢測方案來獲得開關電流信息，而LT8390A將其電流檢測電阻與電感串聯。通過將檢測電阻與電感串聯，便可有效地將電阻從降壓和升壓熱環(huán)路中移除，從而縮小環(huán)路尺寸并改善EMI性能。

 

除了電感檢測電阻位置的架構優(yōu)勢外，LT8390A還內置擴頻調頻功能以進一步降低控制器產生的EMI。此外，降壓和升壓功率開關的邊沿速率僅使用幾個分立元件來控制，以減緩MOSFET的導通，確保在降低功率開關的高頻EMI與溫升之間達成適當的平衡。憑借這些降低EMI的特性，滿足CISPR 25標準所需的唯一濾波器由輸入和輸出上的小型鐵氧體濾波器提供，而不是大型鐵氧體外殼和粗笨的LC濾波器。

 

基于LT8390A的1平方英寸大小的高效率、低EMI USB Type-C電源解決方案

 

4 總結

 

針對為連接設備供電的穩(wěn)壓器的新USB標準，USB Type-C支持通過增加穩(wěn)壓器可提供的輸出電壓范圍和電流輸送來實現更高的功率傳輸。便攜式和汽車電池供電的USB Type-C充電設備需要一種寬VIN/VOUT降壓-升壓穩(wěn)壓器，以便輸送高于或低于輸入電壓的總線電壓。ADI的4開關降壓-升壓控制器LT8390簡化了要求苛刻的工業(yè)和汽車電源設計，它的應用幾乎不限于這些領域，因為它具有眾多特性，包括在較寬的輸出負載范圍內具有高效率、低EMI、緊湊的解決方案尺寸和極高的輸出功率能力，是新興的可再生能源和能量收集系統(tǒng)的理想選擇。

 

LT8390

 

●     四開關單電感器架構允許 VIN 高于、低于或等于 VOUT

●     同步開關：效率高達 98%

●     專有的峰值降壓峰值升壓電流模式

●     寬 VIN 范圍：4V 至 60V

●     ±1.5% 輸出電壓準確度：1V ≤ VOUT ≤ 60V

●     利用監(jiān)視器可實現 ±3% 的輸入或輸出電流準確度

●     擴展頻譜頻率調制用于實現低 EMI

●     高端 PMOS 負載開關驅動器

●     集成型自舉二極管

●     在降壓或升壓模式中沒有上管 MOSFET 刷新噪聲

●     可調和可同步頻率范圍：150kHz 至 650kHz

●     停機期間 VOUT 與 VIN 斷接

●     采用具裸露襯墊的 28 引腳 TSSOP 封裝和 28 引腳 QFN 封裝 (4mm x 5mm)

 

 

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