La progettazione ADAS è più semplice con il convertitore switching a bassa emissione EMI/EMC di Analog Devices

ADAS è l'acronimo di “Advanced Driver Assistance System” (sistema avanzato di assistenza alla guida), che si può trovare comunemente in molte automobili e autocarri di recente costruzione. La guida sicura è facilitata dall'implementazione di tale tecnologia attraverso sensori e machine vision per il controllo dinamico e statico dell'ambiente circostante il veicolo. In particolare la rilevazione degli angoli ciechi, oppure il controllo della frenata.

Introduzione

Il crescente interesse dei consumatori per la sicurezza, la richiesta di comfort durante la guida e il continuo aumento delle normative sulla sicurezza emanate dai governi rappresentano, nell’ultimo quinquennio, i motivi principali di crescita dei sistemi ADAS sulle automobili.

Le sfide sono innumerevoli, la necessità di riduzione dei costi e le difficoltà dei test rendono ancora la ricerca e sviluppo una attività molto importante per ottimizzare i dispositivi finali. In Europa, il settore automotive rappresenta un mercato tra i più innovativi e sta registrando una grandissima espansione dell'adozione dell’ADAS per i propri utenti. 

Sfide di sistema

Comunemente trovato in molte delle nuove automobili di oggi, un sistema ADAS di solito facilita la guida sicura e può avvisare l'autista se il sistema rileva i rischi da oggetti circostanti come pedoni, ciclisti o anche altri veicoli su una traiettoria pericolosa. Inoltre, questi sistemi offrono in genere funzioni dinamiche come il controllo automatico della velocità, il rilevamento dei punti ciechi, l'avviso di partenza della corsia, il monitoraggio dell'auto-controllo, la frenata automatica, il controllo della trazione e la visione notturna.

Le richieste dei consumatori di una maggiore sicurezza e comfort durante la guida, insieme con il continuo aumento delle norme di sicurezza governative sono stati i principali motori di crescita di ADAS nelle automobili per la seconda metà di questo decennio. Tuttavia, tale crescita esaspera e / o crea nuove sfide per il settore, che vanno dalla pressione sui prezzi e complessità progettuale, passando per la difficoltà di testare questi sistemi.

Generalmente, un sistema ADAS incorpora un microprocessore per raccogliere tutte le informazioni in arrivo dai numerosi sensori del veicolo e quindi elaborarle, in modo tale che possano essere presentate a chi guida in forma facilmente comprensibile. Inoltre, questi sistemi sono il più delle volte alimentati dalla batteria principale del veicolo, con tensione nominale da 9V a 18V, ma che potrebbe salire fino a 42V a causa dei transienti di tensione nel sistema, e scendere fino a soli 3,4V in condizioni di avviamento a freddo (cold-crank). Pertanto, nell'ambito di questi sistemi, qualsiasi convertitore DC/DC deve essere in grado di gestire quanto meno l'ampio intervallo di tensione da 3,4V a 42V. Inoltre, molti sistemi a doppia batteria, come quelli che si trovano comunemente sugli autocarri, richiedono un intervallo ancora più ampio, portando il limite superiore fino alla soglia di 65V.

Per questi motivi, alcuni produttori ADAS progettano i propri sistemi per coprire un intervallo di ingresso da 3,4V a 65V, affinché possano essere utilizzati indifferentemente in autovetture o camion, realizzando economie di scala durante il processo produttivo.

Molti sistemi ADAS utilizzano linee a 5V e 3,3V per alimentare i numerosi componenti analogici e digitali al loro interno; analogamente, i produttori di questi sistemi preferiscono usare un convertitore unico per l'utilizzo nelle configurazioni a batteria singola e doppia. Inoltre, il sistema è di solito montato in una parte del veicolo che ha vincoli sia di spazio che termici, limitando quindi la possibilità di dissipare calore a scopo di raffreddamento. Anche se utilizzare un convertitore DC/DC ad alta tensione per generare le linee di alimentazione a 5V e 3,3V direttamente dalla batteria è un fatto piuttosto comune, negli attuali sistemi ADAS un regolatore switching deve anche poter commutare a frequenze di 2MHz o superiori, piuttosto che basarsi sulla canonica frequenza di commutazione sotto i 500kHz. Il motivo principale di questo cambiamento consiste nella necessità di soluzioni dalle dimensioni più contenute che restino, nel contempo, anche al di sopra delle frequenze della banda AM per evitare potenziali interferenze.

In un ambiente automotive, i regolatori a commutazione stanno sostituendo quelli lineari in aree dove bassa dissipazione termica e livello di efficienza sono tenuti in grande considerazione. Il regolatore switching ha un impatto significativo sulle prestazioni EMI del circuito di alimentazione.

I filtri sono usati spesso per ridurre le emissioni elettromagnetiche attenuando l'intensità a una certa frequenza o su un intervallo di frequenze. La porzione di questa energia che viaggia attraverso lo spazio (irradiata) si può attenuare aggiungendo schermature metalliche e magnetiche.

La parte che viaggia sulle piste del PCB (condotta) viene attenuata aggiungendo piccoli nuclei in ferrite e altri componenti di filtro. L’EMI non può essere eliminata ma attenuata a un livello che sia accettabile dagli altri componenti, digitali e di comunicazione. Inoltre, diversi organismi di regolamentazione impongono  standard per garantirne la conformità.

Oggi i componenti con le svariate tecnologie di package offrono elevate prestazioni. Tuttavia, l'aumento delle frequenze di lavoro dei convertitori switching crea ulteriori problemi di design. Per ogni raddoppio della frequenza di commutazione l’EMI peggiora di 6dB, mentre tutti gli altri parametri, come la capacità di commutazione e i tempi di transizione, restano costanti. Le EMI si comportano come un filtro passa alto del primo ordine, con un livello di emissione più alto di 20dB se la frequenza di commutazione aumenta di 10 volte.

I progettisti di PCB più avveduti cercheranno di contenere, per quanto possibile, le dimensioni degli hot loop e utilizzeranno piani di massa tenendoli il più vicino possibile a quelli di segnale. Ciò nonostante, pinout dei dispositivi, struttura del package, requisiti tecnici del progetto, e dimensioni di package necessarie per i componenti di disaccoppiamento, richiedono dimensioni dell’hot loop superiori ad un certo valore minimo. Per complicare ulteriormente la questione, nei tipici circuiti stampati planari, sopra i 30MHz l'accoppiamento magnetico tra le piste, come avviene nei trasformatori, diminuirà l'efficacia dei filtri dato che più sale la frequenza delle armoniche, più intenso diventa l'effetto dell'accoppiamento magnetico indesiderato.

Convertitore DC/DC per alta tensione con basse emissioni EMI

LT8645S è un convertitore buck monolitico sincrono per alta tensione di ingresso che presenta bassi livelli di emissioni EMI. Il suo intervallo di tensioni d'ingresso da 3,4V a 65V lo rende la scelta ideale per applicazioni in campo automotive , sistemi ADAS compresi, che deve mantenere regolati durante scenari di avviamento a freddo e di stop-start, con tensioni di ingresso che partono da un minimo di 3,4V e transienti di load dump di oltre 60V. Come si vede in Figura 1, il dispositivo è un singolo canale che eroga 8A in uscita a 5V. L’architettura a rettificazione sincrona fornisce un livello di efficienza fino al 94% alla frequenza di 2MHz, mentre il funzionamento in Burst Mode® mantiene la corrente a riposo al di sotto di 2,5µA in condizioni di standby in assenza di carico, rendendolo ideale per sistemi “always on”.

 

Figura 1: Schema LT8645S con uscita 5V a 8A a 2MHz.

La frequenza di commutazione dell’LT8645S è programmabile da 200kHz a 2,2MHz e sincronizzabile a un clock esterno sull'intero intervallo. La sua architettura Silent Switcher® 2 integra condensatori di ingresso, così come i condensatori interni BST e INTVCC, per ridurre gli ingombri. Combinando l'ottimo controllo dei fronti di commutazione con una struttura interna a piano di massa integrato e l'utilizzo di “copper pillar” invece del bonding, il progetto dell’LT8645S riduce drasticamente le emissioni. L’architettura Silent Switcher 2 fornisce prestazioni EMI robuste su qualsiasi circuito stampato (PCB), compresi quelli a doppia faccia. Per di più, in confronto ad altri convertitori di simili caratteristiche, è molto meno sensibile alle variazioni nel layout del PCB. Questo nuovo livello di prestazioni è dovuto ai condensatori BST e INTVCC interni, a doppio ingresso,  che minimizzano l'area dell’hot loop. Sono comunque richiesti due condensatori d'ingresso esterni, ma il requisito di collocarli il più vicino possibile ai pin di ingresso si è fatto molto meno stringente. In combinazione con i condensatori interni che minimizzano l’area dell’hot loop, il piano di terra integrato del substrato migliora significativamente le prestazioni EMI (vedi Figura 2). Il substrato BT multilayer consente anche ai pin di I/O di usare esattamente lo stesso pattern di un package QFN, permettendo allo stesso tempo ampi ground-pad per la dissipazione termica. Questo package QFN di tipo “laminate-based” (LQFN) è più flessibile rispetto al QFN standard e ha dimostrato prestazioni nettamente migliori sull'affidabilità dei punti di saldatura durante i cicli termici a livello di scheda, permettendo ai clienti l'uso del LQFN laddove, in casi precedenti, avevano potuto utilizzare soltanto componenti contenenti piombo.

L’LT8645S supera agevolmente le specifiche dello standard CISPR25 Classe 5, sui limiti dei picchi di emissione  sull'intero intervallo di carico. La modulazione di frequenza spread spectrum consente un ulteriore riduzione dei livelli EMI (Figura 2). L’LT8645S utilizza switch di potenza interni ad alta efficienza sui lati alto e basso della linea di alimentazione con il necessario diodo boost, oscillatore, circuiti logici e di controllo integrati in un singolo die. Il funzionamento in Burst Mode a basso ripple mantiene un livello di efficienza alto con basse correnti in uscita, tenendo il valore di ripple al di sotto di 10 mV p-p. Infine, l’LT8645S è realizzato in un package LQFN a 32 pin “thermally enhanced” dalle dimensioni ridotte di 4 mm × 6 mm.

 

Figura 2: Grafico delle prestazioni EMI di LT8640S.

 

Conclusione

La diffusione della tecnologia ADAS durerà per molto tempo. E' necessario trovare il giusto equilibrio tra le risorse di pwoer management rispettando i requisi di progettazione. Oggi, il settore automotive dispone di nuovi convertitori DC-DC Silent Switcher 2 di Analog Devices che semplificano  il lavoro, offrendo ottime prestazioni senza la necessità di adottare layout o tecniche di progettazione sofisticati.

 

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