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Cómo diseñar mejores fuentes de alimentación conmutadas de alta corriente para el ADAS del vehículo

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Todos los fabricantes de automóviles están introduciendo mejoras en sus SAAC (Sistema Avanzado de Asistencia a la Conducción) con el fin de ayudar a los conductores al conducir y aparcar. Los ADAS más modernos consumen más energía que los modelos anteriores, por lo que los reguladores conmutados de baja corriente ya no pueden cubrir sus necesidades. Este artículo propone dos reguladores reductores (buck) Silent Switcher® monolíticos de alta corriente, LT8638S y LT8648S, como posible solución.

Se presentan los circuitos de aplicación de ambos reguladores. Los resultados de las pruebas de eficiencia, temperatura y emisiones demuestran que LT8638S y LT8648S son candidatos perfectos para alimentar los ADAS en rápido desarrollo.

Introducción
Los ADAS desempeñan un papel cada vez más relevante en los automóviles ya que aumentan la seguridad del conductor y viaria al minimizar los errores humanos. Los primeros ADAS incorporaban una sola función de asistencia automática al conductor, como el control de crucero adaptativo mediante un sensor de radar. En la actualidad se están añadiendo más funciones ADAS a los automóviles, como aparcamiento automático de emergencia, monitorización de puntos ciegos, alerta y elusión de vehículos/peatones, alerta y asistencia por salida del carril, etc. La evolución de ADAS hace que estos nuevos vehículos consuman más que nunca debido a su mayor número de sensores ycámaras, su potente procesamiento y computación de datos en tiempo real, y sus comunicaciones a muy alta velocidad. Por ejemplo, la primera generación de ADAS SoC (system on chip), como Mobileye EyeQ en 2008, solo consumía 2 W a ~3 W. Los nuevos ADAS SoC, como NVIDIA® Xavier™, consumen 20 W a ~30 W o más debido a su potente capacidad de procesamiento y computación de datos. La alimentación del ADAS procede de una batería de 12 V. Esta tensión se convierte primero a una tensión intermedia de 5 V o 3,3 V y luego se transforma en las diferentes tensiones más bajas que requieren el núcleo del SoC, las interfaces, los periféricos, etc. Dado que el consumo del ADAS SoC se incrementa, el convertidor intermedio debe ser capaz de suministrar 10 A o más para cumplir ese requisito.

Figura 2. Eficiencia y aumento de temperatura de los circuitos de la Figura 1

Una solución tradicional para diseñar una fuente de alimentación intermedia de alta corriente consiste en utilizar controladores reductores. Sin embargo, el tamaño total de la solución es grande por la necesidad de MOSFET externos. Por tanto es difícil instalar la solución de alimentación en un espacio reducido, una situación habitual para la aplicación ADAS en el automóvil. Otro punto de atención para las fuentes de alimentación conmutadas en los vehículos es la emisión electromagnética. Las fuentes de alimentación necesitan cumplir los estrictos límites establecidos para las emisiones electromagnéticas radiadas y conducidas, que son obligatorios en la industria de automoción. El mayor consumo hace que tales criterios de emisión electromagnética sean más difíciles de cumplir. Para ceñirse a las limitaciones de consumo, tamaño y emisiones electromagnéticas, Analog Devices ha desarrollado dos reguladores Silent Switcher monolíticos de alta corriente de 42 V: LT8638S y LT8648S.

Figura 3. Flancos de conmutación del LT8638S con 12 V de entrada y una carga de 10 A.

Solución compacta de alimentación de 10 A/12 A basada en el LT8638S
El LT8638S es un regulador reductor de un canal, 42 V y 10 A que incorpora toda la circuitería de control y los MOSFET en un encapsulado LQFN de 4 mm × 5 mm. Su corriente de salida puede alcanzar los 12 A durante un corto tiempo. El LT8638S es un candidato perfecto para el carril de alimentación intermedia de 10 A.

La Figura 1 muestra un esquema típico del LT8638S de  5 V/10 A. La frecuencia de conmutación del regulador LT8638S es ajustable entre 200 kHz y3 MHz. La Tabla 1 indica los principales componentes para el circuito del LT8638S a 400 kHz y para el circuito del LT8638S a 2 MHz. La Figura 2 muestra la eficiencia y el aumento de temperatura del LT8638S en la tarjeta de demostración DC2929A a 400 kHz y 2 MHz, respectivamente.
Si se compara el circuito de 400 KHz del LT8638S con el circuito de 2 MHz del LT8638S, la huella del inductor para 400 kHz es 2,5 mayor que para el inductor de 2 MHz y el condensador de salida para 400 kHz es 3 veces mayor que el condensador de salida de 2 MHz. Por tanto, en aplicaciones sensibles al tamaño y el coste es preferible la frecuencia de conmutación de 2 MHz. Los principales motivos que impiden que los ingenieros de diseño de fuentes de alimentación utilicen 2 MHz son la eficiencia y el rendimiento térmico dado que las pérdidas de conmutación se pueden ver incrementadas de manera significativa cuando la frecuencia de conmutación es elevada. El LT8638S acaba con esas preocupaciones ya que minimiza las pérdidas de conmutación con sus flancos rápidos de conmutación, como se puede ver en la Figura 3. En la Figura 2, la temperatura del LT8638S solo aumenta 60°C con una potencia de salida de 50 W a una frecuencia de conmutación de 2 MHz. La diferencia de eficiencia entre 2 MHz y 400 kHz está dentro de un rango del 1,5% para una carga de 10 A.


Figura 4. Circuito basado en el LT8638S con un nivel extremadamente bajo de EMI.

Los flancos rápidos de conmutación son buenos para la eficiencia con una alta frecuencia de conmutación pero pueden empeorar las emisiones electromagnéticas (EMI). El LT8638S incorpora una arquitectura Silent Switcher que le permite funcionar con flancos rápidos de conmutación y un nivel significativamente bajo de EMI en una solución cuyo tamaño es mucho más pequeño. La Figura 4 muestra un circuito con el LT8638A de 2 MHz cuyo nivel de EMI es extremadamente bajo. Para lograr el mejor nivel de EMI, el regulador funciona en modo de espectro ampliado conectando la patilla SYNC/MODE a la patilla INTVCC. La Figura 5 muestra las emisiones del LT8638S del circuito de la Figura 4 con la configuración de prueba definida en el estándar CISPR 25. Las líneas rojas representan los límites establecidos por CISPR 25 Clase 5, que son las especificaciones de emisión más exigentes en la industria de automoción. Con muy pocos componentes añadidos para generar un filtro de entrada, como indica la Figura 4, el LT8638S puede cumplir los exigentes límites máximos y medios de CISPR 25 Clase 5.

Frecuencia de conmutación 400 kHz 2 MHz
L1 3,3 µH (10 mm × 11,3 mm × 10 mm) 0,56 μH (6,36 mm × 6,56 mm × 6,1 mm)
COUT 47 µF × 3 47 µF × 1
Rt 105 kΩ 16,9 kΩ
Rc 9,31 kΩ 13,7 kΩ
Cc 820 pF 220 pF
CPL 33 pF 10 pF

Figura 5. EMI radiadas y EMI conducidas para en circuito de la Figura 4 (12 V de entrada y 3,3 V de salida a 10 A).


Solución monolítica de alimentación de mayor corriente basada en el LT8648S
Un ADAS complejo requiere más de un SoC, así como un conjunto de cámaras y sensores. Por ejemplo, un ADAS manos libres podría estar formado por diversos chips de alto consumo y hasta 11 cámaras. El LT8648S puede suministrar una mayor corriente de salida que el LT8638S y puede proporcionar la alimentación intermedia que necesitan estos ADAS más complicados. Al ser un regulador reductor monolítico de 42 V y 15 A, la corriente de salida y la potencia del LT8648S se acercan a una solución de controlador de potencia que utiliza MOSFET externos. Su capacidad de suministro de corriente puede aumentar aún más conectando varios LT8648S en paralelo.

La Figura 6 muestra el esquema de 2 MHz y 3,3 V/25 A con dos dispositivos LT8648S en paralelo. Los dos reguladores LT8648S comparten la entrada y la salida. Las patillas EN/UV ySS están conectadas para asegurar que los dos reguladores se pongan en marcha simultáneamente y con la misma pendiente de salida. El LT8648S usa el control de modo de corriente de pico, que correlaciona la tensión VC de salida del amplificador de error y la corriente de carga. Al conectar las patillas VC y FB, lo dos LT8648S en paralelo pueden lograr un buen equilibrio de la corriente sin necesidad de añadir otro circuito. La patilla CLKOUT de U1 LT8648S está conectada a la patilla SYNC/MODE de U2 LT8648S. Con esta conexión se sincronizan dos reguladores LT8648S con un cambio de fase de 180°.
La Figura 7 muestra la eficiencia y el aumento de temperatura del circuito de la Figura 6. U1 y U2 tienen casi la misma temperatura y ello indica un buen equilibrio de la corriente en esta aplicación en paralelo. La alta frecuencia de conmutación y la compensación externa permiten una respuesta rápida frente a transitorios. La Figura 8 muestra la respuesta a transitorios de carga del circuito mostrado en la Figura 6.

Figura 7. Eficiencia y aumento de temperatura del circuito mostrado en la Figura 6.



Conclusión
Este artículo presenta dos reguladores monolíticos Silent Switcher de alta corriente y 42 V: LT8638S y LT8648S. Su excelente eficiencia y sus emisiones ultrabajas acaban con las preocupaciones de tipo térmico y de EMI en los entornos adversos de las aplicaciones en el automóvil.

Con sus MOSFET integrados, el LT8638S y el LT8648S ofrecen una solución de pequeño tamaño para las fuentes de alimentación de alta corriente intermedia exigidas por los ADAS en el automóvil, que experimentan un rápido auge.


Acerca de la autora
Ying Cheng es ingeniera de aplicaciones para productos de potencia en el Industrial and Multimarkets Business Group de Analog Devices en Santa Clara (California, EE.UU.), compañía en la que ha trabajado desde 2010. En la actualidad trabaja en aplicaciones relacionadas con los convertidores reductores monolíticos no aislados. Entre las áreas de interés de Ying Cheng dentro de la gestión de potencia se encuentran los convertidores y los reguladores de potencia de alto rendimiento y alta eficiencia, la alta densidad de potencia y las bajas EMI en aplicaciones de automoción, telecomunicaciones, medicina e industria. Ying Cheng es graduada en Ingeniería Eléctrica y Ciencias por la Universidad de Shanghai Jiao Tong (China) y obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica en la Missouri University of Science and Technology (antes University of Missouri-Rolla) en Rolla (Missouri, EE.UU.). Su correo electrónico es Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo..

 

Figura 8. Respuesta a transitorios de carga de 10 A a 20 A del circuito mostrado en la Figura 6.

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