提高信息娱乐系统功率密度的设计考虑

在本文中，我们将讨论一些设计技术，以在不影响性能的情况下实现更高的功率密度。

信息娱乐电源架构

许多信息娱乐电源设计遵循类似的架构。汽车电池用作电源的输入，并且由于冷车发动和负载突降条件，通常在很宽的输入电压范围内工作。电池为宽输入电压降压转换器供电，该转换器输出中间总线电压。常见的中间电压是 5V 或 3.3V 电压轨。该电源轨为 LDO 和低输入电压降压转换器等下游设备供电，这些设备可为各种负载生成所需的功率。这些负载的示例包括网络协议接口、连接模块和传感器。输入滤波器通常添加到电池外降压转换器的前端，以减轻特定频率下的 EMI 挑战。

信息娱乐应用的电源树示例如图 1所示。负载开关用于宽输入和低输入降压之间的中介。这有助于减少静态电流消耗，从而最大限度地延长电池寿命。此外，线性稳压器 (LDO) 用于 3.3V/10mA 电源轨。对于像这样的低电流轨，为了节省设计成本和空间，使用 LDO 而不是降压转换器是有意义的。

图 1电源树显示了汽车设计中信息娱乐系统的供电方式。资料来源：德州仪器

电源设计人员用来增加此类解决方案的功率密度的一些技术正在利用更高的开关频率（考虑并减少设计中的主要功率损耗来源）以及紧凑布局技术。

开关频率和无源元件尺寸

提高功率密度的一种方法是提高整体解决方案的开关频率。在降压转换器中，电路中的每个无源元件在每个开关周期内存储和释放能量。在更快的开关速度下，每个周期缓冲的能量量将减少。更高的开关频率可以产生更小的无源元件，例如电容器和电感器。由于较小的输入电压纹波，可以减小输入电容。由于环路带宽更快，输出电容也可以降低。

电感与开关频率成反比，如下式所示：

L = (V OUT - VI N ) * D) / F sw * ΔI L = V L * D / F sw * ΔI L

其中 L = 电感，D = 占空比，F sw = 开关频率，I L = 电感器电流纹波，V L = 电感器两端的电压（也可以写为 V OUT – V IN）。在图 1 中信息娱乐电源树的解决方案中，所有转换器的开关频率为 2.1 MHz。

功率损耗增加

不幸的是，增加开关频率是以增加功率损耗为代价的。每个稳压器及其相关组件的功率损耗将决定我们实际可以增加多少功率密度。图 2显示了电源电路中各种外部元件的主要损耗类型。

图 2电源电路元件中常见的损耗类型。资料来源：德州仪器

除了优化上述外部元件外，在决定使用哪些IC时还要注意封装的热性能。某种封装的散热效果越好，您可以承受的功率损失就越大，而不会看到温度的极端升高。汽车系统的一个特殊考虑是选择符合汽车标准的器件和无源元件。这些设备符合汽车可靠性和稳健性要求，并且可以包括用于改善 EMI 的功能，例如扩频调制。

基本布局技巧

如果放置在不太理想的布局中，即使是设计最好的电源解决方案也不会很好地工作。在原理图级别最大限度地提高功率密度后，我们仍然需要减轻因零件放置和布线不当而可能出现的问题。其中之一是EMI。

在同步降压转换器中，传导辐射是由电压随时间的变化 (dv/dt) 和开关动作引起的电流随时间的变化 (di/dt) 引起的。这些波形包含高次谐波，很容易耦合到电路板上的其他设备中。随着我们提高开关速度，处理 EMI 变得更加复杂，因为电压或电流水平会有更多的突然变化。

图 3显示了图 1 中信息娱乐电源树的布局。PCB 组件周围的彩色框与图 1 中的框图颜色相对应。布局的紧凑解决方案尺寸为 1.20 英寸 x 1.06 英寸，未放置任何组件在 PCB 的底部。

图 3信息娱乐电源解决方案的布局尺寸为 1.20 英寸 x 1.06 英寸来源：德州仪器

布置组件时，请使输入连接器远离任何潜在的噪声源。这有助于避免通过寄生元件绕过前端过滤。在图 4 中，输入连接器以红色标出。EMI 滤波器用粉红色标出，宽输入转换器输入电压用黄色标出。滤波器周围的接地屏蔽还有助于降低 EMI 并将滤波器与其他噪声组件隔离。

图 4这就是电源设计中 EMI 前端滤波布局的样子。资料来源：德州仪器

设计人员还应注意将降压转换器的高频开关环路中的电感降至最低。该路径包括输入电容器、高侧 FET、低侧 FET 和到输入电容器的接地回路。在这个特定的信息娱乐系统中，四个负载点 (PoL) 转换器 (U4) 之一用作图 5a 中的示例。输入电容器 (C19) 和高频输入电容器 (C22) 尽可能靠近 IC 放置，以最大限度地减少环路电感。这些电容器用红色标出，最小化的关键路径用黄色标出。高侧和低侧 FET 集成到 IC 中。

图 5电容器靠近 IC（顶部 5a）放置，而转换器移向右侧（底部 5b）。资料来源：德州仪器

如图 5b所示，该转换器和其他类似转换器移向整体解决方案的右侧，以最大限度地提高 EMI 滤波器的效率并增加布局紧凑性。

符合 EMI 要求是电源设计中最具挑战性的部分之一。因此，虽然在设计中配置滤波器是一种很好的做法，但很可能需要在电路板测试期间调整滤波器组件以满足特定的 EMI 标准。

图 6显示了为此电源解决方案构建和测试的物理板。

图 6此 PCB 解决方案是为信息娱乐电源系统构建和测试的。资料来源：德州仪器

在图 7 中，我们展示了电路板的热图像，以证明即使布局紧凑，我们也能够获得良好的热效果。在没有气流的情况下运行电路板 10 分钟后，最热温度为 69.3 °C。查看PMP22648参考设计以获取更多详细信息。

图 7在此电路板顶部的热图像中，V IN = 13.5 V 且所有电源轨均处于最大负载。资料来源：德州仪器

正如我们在本文中看到的，当今汽车信息娱乐系统的重点是将解决方案安装到一个小区域，同时仍能实现高性能。关注开关频率和功率损耗等关键设计考虑因素将使您能够优化各个组件以实现紧凑的尺寸。紧随其后的是采用良好的布局技术来减轻 EMI 的主要来源，这将是实现高功率密度、高性能解决方案的关键。