Con l'emergere di nuove tendenze nel campo dell'elettronica automotive, come la guida autonoma, i sistemi di infotainment per auto e le auto ibride o completamente elettriche, gli ingegneri elettrici si trovano di fronte a una montagna di nuove sfide, in particolare per quanto riguarda la progettazione di sistemi di alimentazione front-end in campo automobilistico. Tali sistemi hanno un impatto diretto sull'affidabilità del progetto complessivo di un sistema.
La richiesta di maggiore potenza di elaborazione, più comunicazioni, maggiore lunghezza dei cablaggi e miniaturizzazione dei sistemi elettronici rende i disturbi elettromagnetici (EMI) provocati dagli alimentatori in modalità commutata una delle problematiche più complesse in un ambiente automobilistico. Questo articolo tratta una panoramica dei problemi di EMI causati dagli alimentatori automobilistici in modalità commutata e le varie tecniche utilizzate dai prodotti per convertitori di TI per contribuire a limitare il problema.
Convertitori CC/CC automobilistici
In un tipico sistema powertrain automobilistico, un convertitore CC/CC front end ad ampio ingresso come il LM53635 di TI converte la tensione della batteria in una tensione regolata. Il requisito di potenza di tali convertitori CC/CC può essere compreso fra valori inferiori a 1 W e pochi kilowatt a seconda dell'applicazione. I convertitori CC/CC automobilistici presentano numerose caratteristiche esclusive: un ampio intervallo di tensioni di ingresso (da 3 V a 40 V) per proteggere il dispositivo a valle dai transienti di tensione (per sistemi con una batteria da 12 V all'ingresso), requisiti di bassa corrente di riposo (inferiore a 10 μA) per sistemi sempre attivi, condizioni di dropout profondo fino a un ingresso a 3 V in condizioni di avviamento a freddo, temperature di giunzione operative più elevate (minimo di 150 °C) e necessità di soddisfare rigorosi standard EMI.
Cause di EMI nei convertitori CC/CC
Le EMI sono tra gli effetti più indesiderati di qualsiasi convertitore CC/CC. Le principali fonti di rumore in un alimentatore in modalità commutata coinvolgono correnti di ingresso discontinue dovute alla commutazione dei transistor di potenza a effetto di campo (FET), alla velocità di salita e discesa rapida del nodo di commutazione e al ringing aggiuntivo lungo i fronti di commutazione a causa di induttanze parassite nel circuito di potenza. La Figura 1 mostra le emissioni generate dalla discontinuità nelle correnti di ingresso del convertitore di commutazione. Questa situazione va a creare spurie nella frequenza di commutazione e nelle relative armoniche che possono accoppiarsi ad altre apparecchiature collegate alla linea di ingresso.
Le Figure 2 e 3 mostrano le emissioni generate dall'elevato slew rate e dal ringing aggiuntivo sul nodo di commutazione del convertitore. I fronti di commutazione rapidi causano armoniche sostenute fino a frequenze nella gamma dei 100 MHz, che possono quindi accoppiarsi ad altre parti sensibili del sistema. Il ringing del nodo di commutazione, intanto, può avere un contenuto energetico a frequenze di commutazione nell'ordine di centinaia di megahertz, causando problemi nei sistemi che impiegano strutture a radiofrequenza.
Figura 3. Emissioni generate dal ringing ad alta frequenza sul nodo di commutazioneLa Figura 4 riassume le diverse bande di frequenza che entrano in gioco nel soddisfare gli standard stabiliti per la conformità EMI in campo automobilistico. Varie tecniche di progettazione di circuiti, package e del layout delle schede sono impiegate generalmente per mitigare le EMI in ciascuna di queste bande. I paragrafi seguenti analizzano in dettaglio alcune di queste tecniche e i miglioramenti ottenuti.
Progettazione e limitazioni del filtro passivo
Come mostrato nella Figura 1, l'ondulazione della tensione di ingresso generata da correnti discontinue può trasmettersi ad altri sistemi tramite il contatto fisico dei conduttori. In assenza di controllo, un'eccessiva ondulazione della tensione di ingresso e/o uscita può compromettere il funzionamento della sorgente, del carico o del sistema adiacente. Tradizionalmente, l'ondulazione di ingresso viene ridotta al minimo utilizzando un filtro EMI passivo basato su induttore/condensatore (LC), che offre quindi l'attenuazione necessaria per soddisfare le specifiche EMI. Uno strumento di progettazione di filtri di input integrato nel tool di progettazione online WEBENCH di TI® non solo calcola i valori del filtro LC in base ai requisiti di conformità EMI, ma garantisce anche un funzionamento stabile del convertitore CC/CC mediante un'analisi approfondita dell'impedenza per assicurarsi che l'impedenza di uscita del filtro di ingresso sia molto inferiore alla resistenza di ingresso. Tuttavia vi sono dei limiti nell'uso dei filtri di ingresso passivi per ridurre al minimo le EMI condotte. Oltre ai vincoli in termini di dimensioni e costi imposti al sistema, l'attenuazione degli induttori di dimensioni maggiori per la progettazione del filtro EMI in ingresso si riduce a frequenze superiori a 30 MHz a causa della loro inferiore frequenza di autorisonanza.
La Figura 5 mostra i diagrammi EMI ad alta frequenza (da 30 a 108 MHz) dell'LMR33630-Q1, un convertitore CC/CC con uscita da 5 V e 3 A a 2,1 MHz con un ingresso da 13,5 V. I grafici sono presi sulla stessa scheda e l'unica modifica è l'induttore del filtro. Come mostrato nella Figura 5b, il circuito stampato (PCB), grazie all'induttore con frequenza di autorisonanza più elevata, offre un'attenuazione EMI molto migliore alle alte frequenze. Inoltre, il filtro passivo non fornisce alcuna attenuazione per i percorsi di accoppiamento EMI che non sono condotti sulla linea di ingresso. Per superare questi limiti e ridurre le dimensioni e il costo del filtro passivo di input si stanno diffondendo anche altre tecniche.
Spettro espanso
Una tecnica comune per gestire l'aumento delle emissioni spettrali provenienti da un convertitore di commutazione consiste nell'utilizzare lo spettro espanso (spread-spectrum). Lo spettro espanso è un modo per ridurre le interferenze EMI mediante dithering della frequenza di commutazione del convertitore, eliminando quindi le emissioni di picco a frequenze specifiche e diffondendo le emissioni su una gamma più ampia di frequenze. L'effetto che si ottiene è espandere lo spettro del rumore e ridurre l'energia fondamentale, come mostrato nella Figura 6. L'Equazione 1 definisce l'indice di modulazione (Mf), che mostra la correlazione tra frequenza portante (fC) frequenza di modulazione (fM) e il rapporto di modulazione (δ).
È possibile migliorare la diffusione del rumore (e quindi l'attenuazione) aumentando Mf, che è maggiore per una larghezza di banda di dithering maggiore (∆fC) e una fM inferiore. I recenti convertitori di commutazione automobilistici commutano a ~2,1 MHz per superare la banda di frequenza AM. Per questi convertitori di commutazione, garantire che il low-side della frequenza di dithering sia maggiore della banda AM (1,8 MHz) va a limitare ∆fC. È possibile ottenere un fattore di attenuazione ancora più elevato abbassando fM. Tuttavia, se fM è inferiore alla larghezza di banda di risoluzione dell'impostazione del test dell'analizzatore di spettro (per lo standard EMI automobilistico), l'attenuazione sarà inferiore al calcolo teorico. Pertanto, tenendo fM vicino ai 9 kHz si ottengono prestazioni ottimali.
Esistono due grandi categorie per gli algoritmi di spettro espanso (SS). Nella prima categoria, il dithering avviene in modo pseudo-casuale: i cambiamenti nella frequenza di commutazione sono randomizzati all'interno della larghezza di banda del dithering. Nella seconda categoria, la frequenza di commutazione è sottoposta a dithering in modo triangolare: la frequenza di commutazione aumenta e diminuisce gradualmente tra le estremità inferiore e superiore della larghezza di banda del dithering. La Figura 7 mostra le caratteristiche di frequenza/tempo, oltre alla possibile attenuazione delle spurie, per gli schemi di modulazione pseudo-casuali e triangolari.
La modulazione triangolare offre il vantaggio di migliorare l'attenuazione delle spurie a scapito dell'introduzione di grandi spurie alla frequenza di modulazione. Questo rumore spettrale aggiuntivo si aggrava ulteriormente quando si procede all'ottimizzazione per gli standard CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) e FCC (Federal Communications Commission), il che si traduce nel posizionamento di spurie di modulazione nella banda audio a circa 9 kHz. Questo effetto è evidente nella Figura 8c, dove si osserva un grande picco nella banda udibile quando si usa la modulazione triangolare.
Per risolvere questo problema, oltre alla modulazione triangolare della frequenza di commutazione, uno schema di modulazione di frequenza avanzata (AFM) provvede al dithering della frequenza di modulazione stessa in modo pseudo-casuale. Ne deriva la curva frequenza/tempo mostrata nella Figura 8d. Questa soluzione combina i vantaggi di entrambe le tecniche di modulazione triangolare e pseudo-casuale in termini di maggiore attenuazione delle spurie per la fondamentale e per le armoniche, senza incontrare ostacoli causati dal grande picco di frequenze udibili. La tecnica AFM implementata in dispositivi come il TPS55165 mantiene un'elevata attenuazione EMI nella banda di interesse tra 150 e 108 MHz, attenuando al massimo il tono di modulazione vicino a 9 kHz. Il confronto spettrale nelle Figure 8c e 8d mostra i benefici nell'intervallo udibile.
Ringing del nodo di commutazione
Oltre alla corrente di ingresso discontinua che causa la conduzione di EMI sulla linea di ingresso, l'elevato circuito dv/dt nel convertitore CC/CC nel nodo di commutazione genera EMI e deve essere attenuato per soddisfare il limite di conformità. Al crescere della frequenza di commutazione degli alimentatori a commutazione, vi è una tendenza generale a ridurre i tempi di salita e discesa del nodo di commutazione per ridurre le perdite di commutazione. Tuttavia, un nodo di commutazione con tempi di salita e discesa molto brevi mantiene un elevato contenuto di energia, anche ad alte frequenze vicine alla sua 100ª armonica, come mostrato nella Figura 9. La forma d'onda del nodo di commutazione dei convertitori che offrono brevi tempi di salita e discesa causa emissioni molto più elevate. Quando si sceglie un dispositivo di questo tipo, è utile cercarne uno con funzionalità aggiuntive che possano aiutare a mitigare gli effetti EMI.
Il ringing del nodo di commutazione è causato dall'induttanza parassita nel circuito di potenza che risuona con la capacità complessiva presente nel nodo di commutazione del convertitore CC/CC e può variare vicino a 100 MHz. A tali frequenze più elevate, il filtro differenziale all'ingresso non fornisce alcuna attenuazione: pertanto sono necessarie tecniche diverse per evitare le emissioni. Una tecnica principale consiste nel minimizzare intrinsecamente l'induttanza del circuito di potenza. I prodotti più recenti di TI, come LM53625-Q1 e LM53635-Q1, abbandonano i package wire-bond e passano a package basati su leadframe (Figura 10), che aiutano a ridurre l'induttanza del circuito di alimentazione e, a loro volta, riducono il ringing del nodo di commutazione.
A migliorare ulteriormente questo aspetto contribuisce la disposizione del layout dei condensatori di ingresso del convertitore CC/CC. Ottimizzando la disposizione dei pin del convertitore CC/CC in modo che vi sia simmetria nella disposizione dei condensatori di ingresso, i campi elettromagnetici generati dai circuiti di potenza in ingresso sono contenuti all'interno dei circuiti simmetrici, minimizzando quindi le emissioni verso i sistemi vicini.
La Figura 11 mostra il miglioramento delle emissioni ottenute con una disposizione dei pin simmetrica. La Figura 11a ha un solo condensatore di tensione di ingresso posto a sinistra del convertitore, mentre la Figura 11b presenta due condensatori per realizzare il percorso di ingresso simmetrico. Una combinazione con package migliorato, piedinatura simmetrica e layout della scheda dei condensatori di ingresso consente al convertitore di potenza di soddisfare gli standard spettrali anche nella banda tra 30 e 108 MHz.
Nonostante queste tecniche, potrebbero esistere progetti in cui le EMI ad alta frequenza (da 60 a 250 MHz) potrebbero non rientrare negli standard specificati. Un metodo diffuso per mitigare e migliorare il margine nella gamma ad alta frequenza è utilizzare un resistore in serie con il condensatore di avvio del convertitore di commutazione. Ciò contribuisce a rallentare i fronti di commutazione riducendo quindi le EMI, ma comporta penalizzazioni in termini di minore efficienza e potenziali problemi di blocco della sottotensione con la tensione di avvio.
I convertitori di commutazione come LM61440-Q1/LM62440-Q1 sono progettati per consentire a un resistore di selezionare l'intensità del driver del FET high-side durante l'accensione. Come mostrato nella Figura 12, la corrente assorbita dal pin RBOOT, ossia le frecce blu tratteggiate, viene ingrandita ed estratta da CBOOT, ossia le frecce rosse tratteggiate. Questa corrente viene quindi utilizzata per attivare il MOSFET di potenza high-side senza inserire un resistore nel percorso in serie. Con RBOOT in cortocircuito verso CBOOT, il tempo di salita è rapido: le armoniche del nodo di commutazione non vengono trasmesse fino a quando superano i 150 MHz. Se CBOOT e RBOOT sono collegati tramite 700 Ω, il tempo di slew sale a 10 ns tipicamente quando si converte da 13,5 V a 5 V. Questo lento tempo di salita consente all'energia nelle armoniche del nodo di commutazione di trasmettersi vicino a 50 MHz nella maggior parte delle condizioni.
Conclusione
La rapida crescita nel campo dell'elettronica all'interno dei sistemi automobilistici ha messo a dura prova la progettazione di convertitori di potenza utilizzati per alimentare apparecchiature terminali all'interno di un'auto. La stretta vicinanza fra sistemi sensibili rende una problematica notevole la progettazione per la compatibilità elettromagnetica. I progettisti devono prestare la massima attenzione durante la progettazione di convertitori di potenza per sistemi automobilistici al fine di rispettare e soddisfare gli standard stabiliti dalle agenzie in modo da garantire che i sistemi critici possano operare in sicurezza in un ambiente rumoroso. L'impiego di una combinazione di tecniche con i convertitori CC/CC di TI assicura che i progetti che utilizzano componenti di TI soddisfino gli standard di sistema senza troppe modifiche.
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Informazioni sul prodotto: LM53625-Q1, LM53635-Q1, LM61440-Q1, LM62440-Q1, LMR33630-Q1, TPS55165-Q1
