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电动汽车系统中通过隔离降低EMI的三种方案

时间:2021-03-16 08:33:10来源:网络 作者: 点击:
节能环保已成为今天电源解决方案的发展主旋律。电源系统正面临前所未有的挑战:环境的恶化迫使人们不得不考虑采用更加清洁的替代能源;电子设备的发展也亟需提升现有电源系

节能环保已成为今天电源解决方案的发展主旋律。电源系统正面临前所未有的挑战:环境的恶化迫使人们不得不考虑采用更加清洁的替代能源;电子设备的发展也亟需提升现有电源系统的转换效率。通过提高电源系统转换效率,优化不同负载条件下的功耗以及采用新型绿色能源,可实现节能环保的目标。

  空间受限的应用以及散热的挑战

  让系统设计师烦扰的一个常见问题是应采用单级转换还是两级或者更多级转换,比方说从48V到1.xV,是  转换,还是从48V到12V中间总线架构,然后再利用负载点(POL)转换器从12V转换到1.xV。具体采用何种架构取决于很多因素,包括根据系统类型、采用的设计方法以及其他因素来决定。然而不管采用哪种架构,电压不断下降的同时对电流有更高需求的应用,持续推动着很多这类大功率系统的开发,并推动着对于电源IC技术的不断改进。总体来说,在对电源转换效率产生  影响的前提下允许采用更高的开关频率,还可以依靠降低开关损耗和导通损耗来提高电源效率性能。分立式电源设计是将传统的电源模块和分立元件一起放置在一块印刷电路板上,由于外形尺寸的影响而导致电气性能和热性能均受到限制。因此,关键是提供一个完全集成并提高电气和散热性能的电源解决方案,同时又能给工程师提供一个易于使用和灵活编程的紧凑型方案。

  Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用独特的MEMS电感集成技术和EDMOS开关管集成技术,在实现高功率密度和更高效率性能的目标上大大前进了一步。其能够满足高性能、大功率空间受限电源设计面临的巨大挑战。

  其实,大功率POL稳压器是空间受限电源设计的一个很好的例子。这种类型的电源在大型系统板上一般放在非常靠近微处理器、FPGA或者ASIC的地方,为这些器件提供全部所必需的功率。大型数字器件常常需要范围为几安培至100安培以上的电流。大型系统板常常需要几个这样的POL电源,因此为这些电源设计中的每一个分配空间带来了挑战。除此之外,系统板的背面常常是高度受限的,一般不适合电源设计。分立电源转换器一般会利用系统板的两面实现紧凑型设计,而传统电源模块设计由于其高度太高,将仅限于系统板正面。Altera新推出的一系列电源集成方案都实现更低的方案尺寸和器件高度,非常适合空间受限的大型功率应用,例如可提供连续输出电流30A的数字电源方案EM1130。该产品集成电感、开关MOSFET、控制器和补偿回路,整体器件尺寸只有11mm×17mm,高度仅有5mm,整个方案整体的占位面积小于360mm2,并有进一步缩小方案尺寸的潜能。

  图1全集成的30A数字电源EM1130以及方案占位图

  另外一个引人注目的用于POLDC/DC转换的IC是EC7401。该器件是一个4相同步降压型开关控制器,具有跟踪功能,用于驱动外部互补功率MOSFET。其具有MOSFETVDS检测的恒定功率,电流模式架构消除了对电流检测电阻的需求,降低了成本并提高了工作效率。让多个PowertrainET4040以异相工作,  大限度地降低了由输入电容器ESR引起的功率损耗和噪声。EC7401+ET4040方案还极大地降低了输入和输出电源上的峰值辐射和传导噪声。这使符合国际EMI标准更加容易,100%占空比能力提供了低压差工作性能。

  由于在一个给定机箱内的空间和冷却受限,以及需要正确的电源跟踪以改善系统可靠性等多种限制因素,用于大功率的POLDC/DC转换器的设计工程师面临很多挑战。尽管市场上产品设计周期在日益缩短,因为Altera的PowerSoC系列产品易于使用,所以可以缩短产品从开发至上市的时间,并  地降低了设计难度。

  需要满足更严苛的电气性能

  电气系统节能在  的势头正在增强,就产生和消耗而言,成本节省太具有吸引力了。迎接这一挑战的是电源管理IC供应商,他们正在采用新的设计方法,以在其产品中对数十安培负载电流实现高效率转换。同时,他们还在IC置于备用或者停机模式的同时实现更低的静态电流。

  设计工程师需要应对的挑战是,满足所有系统内核中不断增加的高性能DSP和ASIC电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。

  稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能,要使用所需电压也不断降低的更小晶体管工艺来制造数字半导体。现在低于1V的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外,对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是:线路(输入电压变化)、负载(负载电流微小变化)、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过3%。这样,电源设计人员就只有30mV的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、负载、时间和温度等DC参数还要占用大约一半(15mV)的容差预算。剩余的15mV则用于处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化(1个至3个时钟周期)。

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