如何为汽车应用选择合适的开关频率

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简介

本文将介绍能量转换过程中的关键因素，并对汽车应用中的三个开关频率 (fSW) 级别（2MHz、100kHz 和 500kHz）进行分析。

能量转换过程

在降压电路中，能量转换的过程涉及输入电容(C_IN)、输出电容(C_OUT)、电感中存储的能量以及 f_SW。而f_SW会影响器件的多项指标，如器件尺寸、效率、温升，以及最小导通时间及关断时间。

器件尺寸

器件尺寸和 f_SW 之间的关系可以用 C_IN、C_OUT和电感中存储的能量来确定。f_SW增大，需要的电容和电感就更小，器件尺寸也会随之减小。图 1 显示了在 2A、12V 至 3.3V 工作条件下获得的所需外围器件参数。

图1: 外围器件参数需求

开关损耗和温升

在与图1相同的运行条件下，我们得到不同频率的效率曲线（如图2所示）。对设计人员来说，这些参数能帮助他们确定器件的温升；效率越低，温升越高。

图2: 不同频率下的效率曲线

最小导通时间和关断时间限制

如果输入电压(V_IN)增大，芯片开关导通时间就会减少；因此，降低 f_SW可以避免触发器件的最小导通时间(t_{ON_MIN})。如果 V_IN降低，芯片开关关断时间就会缩短；因此，降低f_SW可以避免触发器件的最小关断时间(t_{OFF_MIN})。

选择开关频率

现在，我们来分析三个不同f_SW级别（100kHz、500kHz 和 2MHz）下器件的性能，从而确定这些频率级别对汽车应用的影响。将f_SW设置为低于300kHz、300kHz 至 530kHz 和高于 1.8MHz，以体现不同的开关频率级别。

100kHz: 汽车应用在此频率下可以实现出色的效率和较低的开关损耗。在100kHz频率下，应用可以在85°C的环境温度下实现稳定的运行，并大大减少发热。但对于空间受限应用，不建议使用此频率。
500kHz: 大多数汽车 USB 充电和 LED 照明应用都以 500kHz 的频率运行，因为该频率可以更好地取得效率与解决方案尺寸之间的平衡。
2MHz: 2MHz 时，AM 频段不会产生明显的 EMI。不过，该频率可能会加剧高频段的 EMI。

f_SW的选择对汽车应用中 DC/DC 变换器的 EMI管理非常重要。图 3 显示了 CISPR25 3 类 CE 的标准限值表。三个f_SW级别（100kHz、500kHz 和 2MHz）均落在这三个间歇区域内。

图3: CISPR25 3 类 CE 的标准限值表

下一步我们来评估在不同应用中的三个f_SW级别，并为三个应用示例（车载摄像头传感器、车载移动充电设备和自动驾驶控制器）选择所需的f_SW。

车载摄像头传感器

图 4 显示了车载摄像头传感器的示意图。

图4: 车载摄像头传感器

车载传感器通常都做得尽可能小巧，这意味着其外围组件（例如电感和电容）也要很小。对开关电源来说，f_SW必须较高才能确保电感和电容尺寸较小。因此对于空间受限应用，建议采用2MHz f_SW；因为它可以减轻 EMI 问题，同时最大限度地减少热量产生和摄像头功耗。

12V输入的电流一般在100mA至200mA之间，其DC/DC变换器的传导损耗相对较小。因此，即使f_SW增加，较高的开关损耗也不会导致电源出现明显的温升。同时，摄像头模块的整体功耗也被尽量降低。在高度集成的电源管理IC（PMIC）解决方案中，这些因素可优化高频 dI/dt 环路，并提升 EMI 性能。

将f_SW设置为 2MHz 可确保小尺寸解决方案获得出色的效率和 EMI 性能。

车载移动充电设备

图5所示为车载USB充电端口。

图5: 车载USB充电端口

USB充电设备从最早的USB Type-A单端口变为USB Type-A双端口，接着又更新为USB Type-C双端口，再变成现在的 USB Type-C 供电 (PD) 端口。这些充电设备对PCB板的尺寸都有要求。与摄像头模块不同，充电产品的尺寸通常限制在 50 mm x 50 mm左右。

如果 PCB 板尺寸还受布局和器件尺寸的限制，则2MHz f_SW级别就不是最佳解决方案。双端口 USB Type-C的每一个充电端口都可在 3A 电流下达到 5V，总功率达30W。即使只考虑达到94%的效率，PCB板上仍有约2W的热量产生。而车载环境中的测试通常都需保证在85°C温度下的稳定运行。

综合考虑功耗和尺寸等因素，500kHz 是最适合车载移动设备充电器的开关频率。

自动驾驶控制器

图 6 所示为360 度环视电子控制单元 (ECU)。

图6: 360 度环视电子控制单元 (ECU）

对自动驾驶控制器来说，电路板面积空间较富余。相比摄像头模块和USB充电设备，自动驾驶控制器有足够的PCB布局面积和散热空间。因此f_SW的选择无需太严格，但仍需考虑芯片的t_ON 和t_OFF 限制。

例如，商用车采用24V电池系统，其最高稳态电压高达32V，但360度环视系统通常需要3.3V电源，这就导致较大的压差。如果f_SW设置为 2MHz，则导通时间(t_ON)可通过公式 (1) 计算：

$$T_{ON}=\frac{3.3V}{32V} \times \frac{1}{2.0MHz}\approx 51ns$$

图 7 显示了 MPQ4323-AEC1的最小导通时间(t_{ON_MIN})规格。在此应用中，需要选择较低的频率以避免触发t_{ON_MIN}。

图7: 最小导通时间规格

有些情况下，环视系统中会提供一个8V 电压轨作为摄像头模块的输入电源。假设乘用车采用 12V 电池系统，则通常需要 9V 至 16V 的 V_IN工作范围，工作条件为 V_IN = 9V 且 V_OUT = 8V。如果选择 2MHz f_SW，使用公式 (2)来计算出关断时间(t_OFF)：

$$T_{OFF}=(1-\frac{8V}{9V})\times \frac{1}{2.0MHz}\approx 55.6ns$$

根据图 8所示的最小关断时间 (t_{OFF_MIN})的规格可知，最大时间为 70ns时，t_{OFF_MIN}将被触发。

图8: 最小关断时间规格

为了确保芯片在设定f_SW下稳定运行，需要根据具体f_SW和输出电压V_IN条件来选择最佳(V_OUT)。

结语

本文回顾了能量转换的全过程，并探讨了三个f_SW levels (2MHz, 100kHz, and 500kHz)级别（2MHz、100kHz 和 500kHz）的不同特性。另外，文章还以车载传感器、车载移动充电设备和自动驾驶控制器等应用为例，阐明了如何选择最恰当的f_SW级别，以实现其稳定的开关电源性能。

欲了解更多信息，请参阅 MPS 的ADAS 和信息娱乐系统应用说明。