Nhận bản tin Online
Bài viết mới
09 Th12 2022

Blog Tự Động Hóa

Chuyển đổi DC-to-DC trực tiếp vào pin ô tô: Đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn EMI từ nguồn cung cấp 5A, 3.3V và 5V
Công nghiệp ô tô

Chuyển đổi DC-to-DC trực tiếp vào pin ô tô: Đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn EMI từ nguồn cung cấp 5A, 3.3V và 5V 

Zhongming Ye, giám đốc bộ phận hệ thống ứng dụng

Giới thiệu

Các ứng dụng nhạy cảm với tiếng ồn trong môi trường ô tô và công nghiệp khắc nghiệt đòi hỏi độ ồn thấp, bộ điều chỉnh buck hiệu quả cao có thể phù hợp với không gian chật hẹp. Bộ điều chỉnh buck nguyên khối, bao gồm công tắc nguồn MOSFET trong gói, thường được chọn vì kích thước giải pháp tổng thể nhỏ của chúng so với IC điều khiển truyền thống và MOSFET bên ngoài. Bộ điều chỉnh nguyên khối có thể hoạt động ở tần số cao – trong lãnh thổ 2 MHz cao hơn hẳn băng tần AM – cũng giúp giảm kích thước của các thành phần bên ngoài. Hơn nữa, nếu bộ điều chỉnh cung cấp thời gian tối thiểu thấp (TON), bộ điều chỉnh có thể vận hành trực tiếp từ đường ray điện áp cao hơn mà không cần điều chỉnh trung gian, tiết kiệm không gian và độ phức tạp. Thời gian tối thiểu thấp yêu cầu các cạnh chuyển mạch nhanh và kiểm soát thời gian chết tối thiểu để giảm hiệu quả suy hao chuyển mạch và cho phép hoạt động tần số chuyển mạch cao.

Nói một cách khác để tiết kiệm không gian là giảm số lượng các thành phần cần thiết để đáp ứng các tiêu chuẩn nhiễu điện từ (EMI) và các yêu cầu về nhiệt. Thật không may, trong nhiều trường hợp, chỉ cần thu nhỏ bộ chuyển đổi sẽ khiến việc đáp ứng các yêu cầu này trở nên khó khăn hơn. Bài viết này trình bày các giải pháp hiện đại giúp tiết kiệm không gian trong khi vẫn đạt được EMI thấp và hiệu suất nhiệt tuyệt vời. 

Bộ chuyển đổi nguồn chế độ chuyển mạch được chọn vì hiệu quả của chúng, đặc biệt là ở tỷ lệ bước xuống cao, nhưng một điều phải đánh đổi là EMI cảm ứng hành động chuyển mạch. Trong bộ chuyển đổi buck, EMI phát sinh từ sự thay đổi dòng điện nhanh (di / dt cao) trong các công tắc và đổ chuông từ công tắc do điện cảm ký sinh trong vòng lặp nóng. 

EMI chỉ là một trong những thông số mà các kỹ sư thiết kế hệ thống phải vật lộn khi cố gắng thiết kế một bộ nguồn nhỏ gọn, mang lại hiệu suất cao. Một số hạn chế thiết kế quan trọng thường trái ngược nhau, đòi hỏi những thỏa hiệp quan trọng trong giới hạn thiết kế và thời gian đưa ra thị trường.

Cải thiện hiệu suất EMI

Để giảm EMI trong bộ chuyển đổi buck, người ta phải giảm tác động bức xạ của vòng lặp nóng càng nhiều càng tốt và giảm thiểu tín hiệu từ nguồn. Có một số cách để giảm EMI bức xạ, nhưng nhiều cách cũng làm giảm hiệu suất của bộ điều chỉnh. 

Ví dụ, trong bộ điều chỉnh buck FET rời rạc điển hình, cạnh chuyển mạch bị chậm lại, với điện trở cổng ngoài, điện trở BOOST hoặc snubber, là phương pháp cứu nguy cuối cùng để đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khí thải bức xạ trong ngành ô tô. Một bản sửa lỗi nhanh chóng như vậy cho EMI đi kèm với cái giá của hiệu suất, cụ thể là hiệu suất thấp hơn, số lượng thành phần cao hơn và kích thước dung dịch lớn hơn. Các cạnh chuyển mạch chậm làm tăng tổn thất chuyển mạch, cũng như tổn thất tỷ lệ nhiệm vụ. Bộ chuyển đổi phải hoạt động ở tần số thấp hơn — ví dụ: 400 kHz — để đạt được hiệu suất thỏa đáng và vượt qua các bài kiểm tra phát xạ EMI bức xạ bắt buộc. Hình 1 cho thấy các dạng sóng điện áp nút chuyển đổi điển hình với cạnh chuyển đổi nhanh và cạnh chuyển đổi chậm, tương ứng. Như đã thực hiện, cạnh chuyển mạch chậm hơn đáng kể, dẫn đến tổn thất chuyển mạch tăng và tăng đáng kể chu kỳ nhiệm vụ tối thiểu, hoặc tỷ lệ bước xuống, chưa kể đến các tác động tiêu cực khác đến hiệu suất. 

Làm chậm tần số chuyển mạch cũng làm tăng kích thước vật lý của cuộn cảm bộ chuyển đổi, nắp đầu ra và nắp đầu vào. Trong khi đó, một bộ lọc π cồng kềnh là cần thiết để vượt qua các bài kiểm tra khí thải đã tiến hành. Điện cảm L và điện dung C, trong bộ lọc lớn hơn khi tần số chuyển đổi giảm xuống. Đánh giá dòng điện dẫn phải lớn hơn dòng điện đầu vào tối đa khi tải đầy dòng thấp. Do đó, cần có một cuộn cảm cồng kềnh và nhiều tụ điện ở mặt trước để giúp vượt qua các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của EMI. 

Ví dụ, ở tần số chuyển mạch 400 kHz (trái ngược với 2 MHz), ngoài việc tăng kích thước của cuộn cảm và tụ điện, các cuộn cảm và tụ điện trong bộ lọc EMI cũng phải tương đối lớn để vượt qua tiêu chuẩn EMI được yêu cầu trong ứng dụng ngành công nghiệp ô tô. Một lý do nữa là chúng không chỉ phải làm giảm tần số cơ bản chuyển mạch ở 400 kHz, mà tất cả các hài của nó lên đến 1,8 MHz. Bộ điều chỉnh hoạt động ở tần số 2 MHz không gặp vấn đề này. Hình 2 cho thấy kích thước của giải pháp 2 MHz so với giải pháp 400 kHz. 

Che chắn có thể là biện pháp khắc phục cuối cùng để giảm phát xạ bức xạ, nhưng che chắn chiếm không gian mà có thể không có sẵn trong ứng dụng và sẽ yêu cầu thiết kế cơ học bổ sung và lặp lại thử nghiệm. 

Để tránh băng thông tần số AM và duy trì kích thước giải pháp nhỏ, tần số chuyển mạch 2 MHz hoặc cao hơn được ưu tiên trong các ứng dụng ngành công nghiệp ô tô. Với việc tránh được dải AM, vấn đề chỉ là đảm bảo rằng tiếng ồn tần số cao hơn – hay còn được gọi là sóng hài – và tiếng chuông chuyển mạch cũng được giảm thiểu. Thật không may, việc chuyển đổi tần số cao thường dẫn đến tăng phát xạ bức xạ từ 30 MHz đến 1 GHz.

Có những bộ điều chỉnh chuyển mạch có các cạnh chuyển mạch nhanh và sạch, giúp giảm EMI, chẳng hạn như thiết bị Silent Switcher® trong dòng ADI’s Power by Linear ™. Tuy nhiên, trước tiên, hãy xem xét một số tính năng khác có thể mang lại hữu ích hơn.

Hình 1. Cạnh chuyển mạch chậm có nghĩa là tổn thất chuyển mạch đáng kể ngoài tổn thất tỷ lệ nhiệm vụ.

Hình 2. Kích thước của một giải pháp 2 MHz so với một giải pháp 400 kHz.

Điều chế tần số trải phổ (SSFM) là một kỹ thuật làm giảm xung nhịp hệ thống trong một phạm vi đã biết, do đó phân phối năng lượng EMI trên miền tần số. Mặc dù tần số chuyển mạch thường được chọn nằm ngoài băng tần AM (530 kHz đến 1,8 MHz), sóng hài ô tô chuyển mạch không điều chỉnh vẫn có thể vi phạm các yêu cầu nghiêm ngặt của EMI trong băng tần AM. Thêm SSFM làm giảm đáng kể EMI trong băng tần AM và các vùng khác.

Hình 3. Ultralow EMI LT8636 5 V/5 Một bộ chuyển đổi bậc thang ở chế độ trải phổ với đỉnh 7A hoạt động trên 5,7V đến 42V.

Hình 3 cho thấy một EMI siêu thấp và hiệu suất cao 12V sang 5V/ 5 Một bộ chuyển đổi hoạt động ở tần số chuyển mạch ở 2 MHz sử dụng bộ điều chỉnh buck nguyên khối LT8636 Silent Switcher. Hình 4 cho thấy hiệu suất EMI được dẫn và bức xạ cho một mạch trình diễn đã thử nghiệm ở đầu vào 14V và đầu ra 5A ở 5V. Ở đầu phía trước, một cuộn cảm nhỏ và nắp gốm giúp lọc tiếng ồn dẫn, trong khi ferit hạt và tụ điện gốm giúp giảm nhiễu bức xạ. Hai nắp gốm nhỏ được đặt vào chân đầu vào và chân nối đất để giảm thiểu diện tích của vòng lặp nóng, đồng thời chia nhỏ vòng lặp nóng, giúp loại bỏ tiếng ồn tần số cao.

Để cải thiện hiệu suất EMI, mạch được thiết lập để hoạt động ở chế độ trải phổ: SYNC / MODE = INTVCC. Điều chế tần số tam giác được sử dụng để thay đổi tần số chuyển đổi giữa giá trị được RT lập trình cao hơn khoảng 20% ​​so với giá trị đó — nghĩa là, khi LT8636 được lập trình thành 2 MHz, tần số sẽ thay đổi từ 2 MHz đến 2,4 MHz tại Tốc độ 3 kHz.

Từ phổ EMI được dẫn, rõ ràng là năng lượng sóng hài đỉnh được trải ra, làm giảm cường độ đỉnh ở bất kỳ tần số cụ thể nào — tiếng ồn giảm do hàm trải phổ ít nhất 20 dBµV/m. Từ phổ EMI bức xạ, rõ ràng là chế độ trải phổ cũng làm giảm EMI bức xạ. Mạch đặc biệt này đáp ứng thông số kỹ thuật nghiêm ngặt về EMI bức xạ CISPR 25 lớp 5 dành cho ô tô với một bộ lọc EMI đơn giản ở phía đầu vào.

Hình 4. Phát xạ EMI và bức xạ CISPR 25 có và không có chế độ trải phổ.

Hiệu quả cao trên toàn bộ dải tải

Số lượng thiết bị điện tử trong các ứng dụng ô tô ngày càng tăng, với hầu hết các thiết bị đòi hỏi dòng điện cung cấp nhiều hơn với mỗi lần lặp lại thiết kế. Với dòng tải hoạt động cao như vậy, hiệu suất tải nặng và quản lý nhiệt thích hợp là ưu tiên hàng đầu — hoạt động mạnh mẽ phụ thuộc vào quản lý nhiệt, với việc sản xuất nhiệt không được điều chỉnh có thể dẫn đến các vấn đề thiết kế tốn kém.

Các nhà thiết kế hệ thống cũng quan tâm đến hiệu suất tải nhẹ, điều này được cho là khá quan trọng như hiệu suất tải nặng, vì tuổi thọ của pin chủ yếu được xác định bởi dòng điện tĩnh ở tải nhẹ hoặc không tải. Việc loại bỏ silicon, cũng như thiết kế mức hệ thống, phải được thực hiện giữa hiệu suất tải đầy đủ, dòng điện tĩnh không tải và hiệu quả tải nhẹ. 

Có vẻ đơn giản rằng để đạt được hiệu quả cao khi đầy tải, RDS (ON) của FET, đặc biệt là FET dưới cùng, nên được giảm thiểu. Tuy nhiên, bóng bán dẫn có RDS (ON) thấp thường có điện dung tương đối cao, với sự gia tăng liên quan đến tổn thất ổ đĩa cổng và chuyển mạch, cộng với kích thước và chi phí khuôn lớn hơn. Ngược lại, bộ điều chỉnh nguyên khối LT8636 có điện trở dẫn MOSFET rất thấp, cho phép hiệu quả đặc biệt trong điều kiện đầy tải. Dòng điện đầu ra tối đa cho LT8636 là 5A liên tục và 7A cực đại trong không khí tĩnh mà không cần thêm bộ tản nhiệt nào, giúp đơn giản hóa thiết kế mạnh mẽ. 

Để nâng cao hiệu quả tải nhẹ, bộ điều chỉnh hoạt động ở chế độ gợn sóng thấp Burst Mode® giữ cho tụ điện đầu ra được sạc đến điện áp đầu ra mong muốn đồng thời giảm thiểu dòng điện tĩnh đầu vào trong khi giảm thiểu gợn sóng điện áp đầu ra. Trong hoạt động Burst Mode, dòng điện được phân phối theo các xung ngắn tới tụ điện đầu ra, sau đó là thời gian ngủ tương đối dài, nơi hầu hết các mạch điều khiển (logic) đều tắt. 

Để đạt được hiệu quả tải sáng cao hơn, cuộn cảm có giá trị lớn hơn được ưu tiên vì nhiều năng lượng hơn có thể được phân phối đến đầu ra trong các xung ngắn và bộ điều chỉnh buck có thể duy trì lâu hơn ở chế độ nghỉ giữa mỗi xung. Bằng cách tối đa hóa thời gian giữa các xung và giảm thiểu sự mất mát khi chuyển mạch của mỗi xung ngắn, dòng điện tĩnh của bộ chuyển đổi buck nguyên khối có thể đạt đến 2,5 μA trong một bộ điều chỉnh nguyên khối, chẳng hạn như LT8636. Con số này được so sánh với hàng chục µA hoặc hàng trăm µA của các bộ phận thông thường trên thị trường.

Nhìn vào Hình 5 chúng ta sẽ thấy một giải pháp hiệu quả cao cho đầu ra 3,8V / 5A từ đầu vào 12V cho các ứng dụng ô tô sử dụng LT8636. Mạch chạy ở 400 kHz cho hiệu suất rất cao và sử dụng cuộn cảm XAL7050-103 10 µH. Nó duy trì hiệu suất trên 90% với tải nhẹ 4mA và cao đến 5A. Hiệu suất cực đại là 96% ở 1A.

Hình 5. Hiệu suất của một dung dịch 12V đến 3,8V /5 Một dung dịch với cuộn cảm XAL7050-103 (fSW = 400 kHz).

Quan sát trong Hình 6 cho thấy hiệu suất từ ​​µA đến 5A đối với dung dịch này. Bộ điều chỉnh bên trong được cung cấp từ đầu ra 5V thông qua chân BIAS để giảm thiểu tiêu hao điện năng. Hiệu suất đỉnh đạt 95%, hiệu suất đầy tải là 92% cho đầu ra 5V từ đầu vào 13,5V. Hiệu suất tải nhẹ duy trì ở mức hoặc trên 89% đối với tải xuống đến 30 mA đối với ứng dụng 5V. Bộ chuyển đổi chạy ở 2 MHz và cuộn cảm được sử dụng cho thử nghiệm là XEL6060-222 để tối ưu hóa hiệu quả ở cả tải nặng và tải nhẹ, trong một giải pháp tương đối nhỏ gọn. Hiệu suất tải nhẹ có thể được cải thiện hơn nữa — lên trên 90% — bằng cách sử dụng cuộn cảm lớn hơn. Dòng điện trong bộ chia điện trở phản hồi được giảm thiểu khi nó xuất hiện ở đầu ra dưới dạng dòng tải.

Hình 6. Hiệu quả của LT8636 trong giải pháp cho 13,5V đến 5V và 3,3V sử dụng cuộn cảm XEL6060-222 (fSW = 2 MHz).

Hình 7. Hình ảnh nhiệt LT8636 3mm × 4mm ở tải không đổi 13,5V đến 5V /4 cộng với tải xung 4A (chu kỳ làm việc 10%) cho thấy sự tăng nhiệt độ.

Hình 7 cho thấy hiệu suất nhiệt cho giải pháp này dưới tải không đổi 4A cộng với tải xung 4A (tổng 8A tại xung) với chu kỳ làm việc là 10% (2,5 ms) – từ đầu vào 13,5V và không khí ở xung quanh nhiệt độ phòng. Ngay cả ở công suất xung 40W và tần số chuyển mạch 2 MHz, nhiệt độ vỏ LT8636 vẫn dưới 40° C, cho phép mạch chạy an toàn lên đến 8A trong thời gian ngắn mà không cần quạt hoặc tản nhiệt. Điều này có thể thực hiện được với gói LQFN 3mm × 4mm vì công nghệ đóng gói nhiệt nâng cao và hiệu suất cao của LT8636 ở tần số cao.

Giải pháp thu nhỏ kích thước với hoạt động tần số cao

Không gian ngày càng cao cấp trong các ứng dụng ngành công nghiệp ô tô, đòi hỏi nguồn cung cấp năng lượng phải thu hẹp lại để phù hợp với dấu chân bảng. Tăng tần số chuyển mạch của nguồn điện cho phép sử dụng các thành phần bên ngoài nhỏ hơn như tụ điện và cuộn cảm. Thêm vào đó, như đã đề cập trước đây, trong các ứng dụng ô tô, tần số chuyển mạch trên 2 MHz (hoặc dưới 400 kHz) giữ nguyên cơ bản của băng tần vô tuyến AM. Hãy so sánh thiết kế 400 kHz thường được sử dụng với thiết kế 2 MHz. Trong trường hợp này, việc tăng tần số chuyển mạch lên 2 MHz sẽ làm giảm độ tự cảm và điện dung đầu ra cần thiết xuống 1/5 so với thiết kế 400 kHz. Có vẻ dễ dàng. Tuy nhiên, ngay cả các IC có khả năng tần số cao cũng có thể không sử dụng được trong nhiều ứng dụng vì một số sự đánh đổi vốn có khi sử dụng giải pháp tần số cao. 

Ví dụ, hoạt động tần suất cao trong các ứng dụng tỷ lệ bước xuống cao yêu cầu thời gian tối thiểu thấp. Theo phương trình VOUT = TON × fSW × VIN, ở tần số hoạt động 2 MHz, thời gian bật cho công tắc trên cùng (TON) khoảng 50 ns là cần thiết để tạo ra 3,3V từ đầu vào 24V. Nếu IC công suất không thể đạt được mức thấp này về thời gian, các xung phải được bỏ qua để duy trì đầu ra được điều chỉnh thấp — về cơ bản là đánh bại mục đích của tần số chuyển mạch cao. Nghĩa là, tần số chuyển mạch tương đương (do bỏ qua xung) có khả năng nằm trong dải AM. Với thời gian bật công tắc đỉnh tối thiểu là 30 ns, LT8636 cho phép chuyển đổi trực tiếp từ VIN cao sang VOUT thấp ở 2 MHz. Ngược lại, nhiều thiết bị được giới hạn ở mức tối thiểu> 75 ns, yêu cầu chúng phải được vận hành ở tần số thấp, 400 kHz, cho tỷ lệ bước xuống cao hơn để tránh bỏ qua xung. 

Một vấn đề phổ biến khác với tần số chuyển mạch cao là tổn thất chuyển mạch có xu hướng tăng lên. Các tổn thất liên quan đến chuyển mạch bao gồm tổn thất khi bật công tắc, tổn thất khi tắt, và tổn thất truyền động cổng — tất cả đều phụ thuộc tuyến tính vào tần số chuyển mạch. Tuy nhiên, những tổn thất này có thể được cải thiện với thời gian bật và tắt công tắc nhanh hơn. Thời gian bật và tắt chuyển mạch LT8636 rất ngắn, nhỏ hơn 5V /ns, dẫn đến thời gian chết tối thiểu và thời gian diode tối thiểu, giảm tổn thất khi chuyển mạch ở tần số cao.

LT8636 được sử dụng trong các giải pháp ở đây được lắp ráp trong một LQFN 3mm × 4mm, sử dụng cấu trúc nguyên khối với các công tắc nguồn tích hợp và bao gồm tất cả các mạch điện cần thiết mang lại một giải pháp với diện tích PCB tối thiểu. Phần tiếp đất có diện tích lớn bên dưới vi mạch dẫn nhiệt đến PCB thông qua đường dẫn nhiệt trở rất thấp (26° C/W), giảm nhu cầu quản lý nhiệt bổ sung. Gói được thiết kế để tương thích FMEA. Công nghệ Silent Switcher làm giảm diện tích PCB của vòng lặp nóng, do đó, EMI bức xạ với tần số chuyển mạch cao như vậy có thể dễ dàng xử lý bằng các bộ lọc đơn giản, như thể hiện trong Hình 3.

Kết luận

Với việc lựa chọn vi mạch cẩn thận, thông thường có thể sản xuất bộ nguồn hiệu suất cao nhỏ gọn cho các ứng dụng ô tô mà không phải đánh đổi. Đó là, tất cả đều có thể đạt được hiệu quả cao, tần số chuyển mạch cao và EMI thấp. Để làm ví dụ về các loại thiết kế nhỏ gọn có thể đạt được, các giải pháp được trình bày trong bài viết này sử dụng LT8636, bộ điều chỉnh Silent Switcher nguyên khối bước xuống 42V, 5A liên tục / 7A trong một gói LQFN 3mm × 4mm. Trong IC này, các chân VIN được tách ra và đặt đối xứng trên IC, tách vòng nóng tần số cao, chúng triệt tiêu lẫn nhau từ trường để triệt tiêu phát xạ bức xạ EMI. Ngoài ra, thiết kế đồng bộ và các cạnh chuyển đổi nhanh cải thiện hiệu quả khi tải nặng, trong khi hiệu quả tải nhẹ được hưởng lợi từ hoạt động chế độ rung gợn sóng thấp. 

LT8636 cũng phù hợp với các ứng dụng ngành ô tô với phạm vi đầu vào từ 3,4V đến 42V và độ trễ thấp, cho phép nó hoạt động trong các tình huống quây ô tô hoặc đổ tải. Trong các ứng dụng ngành ô tô, các nhà thiết kế hệ thống đã quen với việc phải đối mặt với một số đánh đổi khi cố gắng thu nhỏ kích thước giải pháp cung cấp điện, nhưng với tất cả các minh hoạ thiết kế được hiển thị ở đây, các nhà thiết kế có thể đạt được tất cả các mục tiêu hiệu suất của họ mà không cần đánh đổi.

Giới thiệu về tác giả

Zhongming Ye là giám đốc kỹ thuật ứng dụng cho các sản phẩm điện tại Analog Devices ở Santa Clara, California. Ông ấy đã làm việc tại Công nghệ tuyến tính (hiện là một phần của Analog Devices) từ năm 2009, cung cấp hỗ trợ ứng dụng cho các sản phẩm khác nhau bao gồm bộ chuyển đổi buck, boost, flyback và forward. Mối quan tâm của ông trong việc quản lý điện năng bao gồm bộ chuyển đổi điện năng hiệu suất cao và bộ điều chỉnh hiệu suất cao, mật độ điện năng cao và EMI thấp cho các ứng dụng ngành công nghiệp ô tô, y tế và các ngành công nghiệp khác. Trước khi gia nhập Công nghệ tuyến tính, ông đã làm việc tại Intersil trong ba năm về bộ điều khiển PWM cho các sản phẩm nguồn cách ly. Ông lấy bằng Tiến sĩ bằng kỹ sư điện của Đại học Queen’s, Kingston, Canada. Zhongming từng là thành viên cấp cao của IEEE Power Electronics Society. Các bạn có thể liên hệ với ông ấy tại: zhongming.ye@analog.com.

Liên hệ:

Hanoi Ho Chi Minh City
Electronic Components  
Arrow Office – 9h Floor – Diamond Flower Tower,  Hoang Dao Thuy Street, Thanh Xuan District, Hanoi, 100000, Vietnam
Arrow Electronics Asia (S) Pte.Ltd
Arrow Electronics Asia – 3rd Floor, GTL Building, 17A Dang Tran Con Street Ben Thanh Ward, District 1, HCMC, Vietnam, 700000
P +84 24 7303 3886
F +84 4 3943 7208
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Analog.com
P +84 28 3823 4407
F +84 8 3528 5407
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Arrow.com

Related posts

Trả lời

Required fields are marked *