Tutte le case automobilistiche stanno potenziando i propri sistemi ADAS per assistere i conducenti nella guida e nel parcheggio. Gli ADAS evoluti consumano più energia rispetto ai predecessori, pertanto i regolatori a commutazione a bassa corrente d’uscita non sono più in grado di soddisfare la richiesta di potenza in continua crescita. Questo articolo propone due regolatori buck monolitici Silent Switcher ad alta corrente, LT8638S e LT8648S, come possibile soluzione, oltre a presentare i circuiti applicativi di entrambi. I risultati dei test di efficienza, temperatura ed emissioni dimostrano che l'LT8638S e l'LT8648S sono i candidati ideali per l’alimentazione degli ADAS sempre più in rapida evoluzione.

Negli autoveicoli del giorno d'oggi, i sistemi di assistenza alla guida di tipo avanzato (ADAS) stanno acquisendo un’importanza sempre maggiore, migliorano la sicurezza del conducente e del percorso stradale e riducendo al minimo gli errori umani. Gli ADAS di prima generazione includevano solo un’unica funzione di assistenza alla guida, come il controllo adattivo della velocità di crociera che utilizzava un unico sensore radar. Oggi le autovetture sono dotate di un numero sempre crescente di funzioni ADAS, come il parcheggio automatico d'emergenza, il monitoraggio degli angoli ciechi, l'avviso di presenza e l’elusione di veicoli/pedoni, l'avviso e l'assistenza per il cambio di corsia, ecc. L'evoluzione degli ADAS significa che, a causa dell'aumento del numero di sensori e telecamere, del potente sistema di calcolo ed elaborazione dei dati in tempo reale e delle comunicazioni ad altissima velocità, questi nuovi veicoli devono assorbire più potenza di quanto non sia mai avvenuto. Ad esempio, la prima generazione di ADAS system on chip (SoC), come il Mobileye EyeQ nel 2008, consumava solo da 2 W a ∼3 W. Gli ADAS SoC di produzione recente, come NVIDIA Xavier, a causa della loro potente capacità di calcolo ed elaborazione dati, consumano da 20 W a ∼30 W o più. L'alimentazione degli ADAS proviene da una batteria a 12 V. Dapprima viene convertita in una linea a tensione intermedia da 5 V o 3,3 V, poi viene trasformata in diverse tensioni di valore inferiore, richieste dal core del SoC, dalle interfacce, dalle periferiche e così via. Poiché il consumo di energia del SoC ADAS è aumentato, per soddisfare tale requisito il convertitore di linea intermedio deve essere in grado di erogare correnti di 10 A o superiori.

Alimentatori progettati per gli ADAS

Una soluzione tradizionale per progettare un alimentatore intermedio ad alta corrente consiste nell'utilizzo di controllori buck. Tuttavia, le dimensioni complessive di questa architettura sono elevate, a causa della necessità di utilizzare MOSFET esterni. Pertanto, è difficile inserire la soluzione di alimentazione del controllore in uno spazio ristretto, una situazione piuttosto comune per le applicazioni ADAS nel settore auto. Un'altra preoccupazione, conseguente all’uso di alimentatori switching nei veicoli, è l'emissione elettromagnetica. I progettisti di alimentatori devono affrontare le sfide dovute ai limiti molto severi, all’emissione elettromagnetica irradiata e condotta, imposti dall'industria automotive, che devono essere necessariamente rispettati. Con l'aumento della potenza assorbita, andare incontro ai criteri di emissione elettromagnetica diventa più difficile. Per adeguarsi ai vincoli di potenza, dimensioni ed emissioni elettromagnetiche, Analog Devices ha sviluppato due regolatori monolitici Silent Switcher da 42 V ad alta corrente: LT8638S e LT8648S.

Soluzione di alimentazione compatta da 10 A/12 A di picco con LT8638S

L'LT8638S è un regolatore buck a un canale da 42 V, 10 A, che include tutti i circuiti di controllo e i MOSFET in un package LQFN da 4×5 mm. La sua corrente di uscita può raggiungere i 12 A per un breve periodo. L'LT8638S è un candidato perfetto per la soluzione compatta da 10 A per la linea di alimentazione intermedia.

La Figura 1 mostra un tipico schema dell'LT8638S a 5 V/10 A. La frequenza di commutazione del regolatore LT8638S è regolabile da 200 kHz a 3 MHz. La Tabella 1 elenca i componenti principali del circuito LT8638S a 400 kHz e del circuito LT8638S a 2 MHz.

Tabella 1 – Componenti per lo schema di Figura 1

La Figura 2 mostra l'efficienza in rapporto all'aumento di temperatura dell'LT8638S sulla scheda demo DC2929A, rispettivamente a 400 kHz e a 2 MHz.

Confrontando il circuito LT8638S a 400 kHz con il circuito LT8638S a 2 MHz, l'ingombro dell'induttore a 400 kHz è 2,5 volte quello dell'induttore a 2 MHz e il condensatore di uscita della soluzione a 400 kHz è tre volte quello a 2 MHz. Pertanto, per le applicazioni sensibili alle dimensioni e ai costi, è preferibile optare per la frequenza di commutazione di 2 MHz. Le principali preoccupazioni che impediscono ai progettisti di alimentatori di utilizzare la frequenza di 2 MHz sono l'efficienza e le prestazioni termiche, poiché alle alte frequenze le perdite di commutazione possono aumentare significativamente. L'LT8638S risolve questi problemi, riducendo al minimo le perdite di commutazione grazie ai fronti di commutazione veloci, come illustrato nella Figura 3. Nella Figura 2, alla frequenza di commutazione di 2 MHz l'aumento di temperatura dell'LT8638S è di soli 60 °C, con una potenza di uscita di 50 W. La differenza dei valori di efficienza tra 2 MHz e 400 kHz è entro l'1,5% con un carico di 10 A.

A frequenze elevate, la velocità dei fronti di commutazione rappresenta un aspetto positivo per l'efficienza, ma può aumentare le emissioni elettromagnetiche. L'LT8638S è dotato dell'architettura Silent Switcher, che gli consente di operare sia con fronti di commutazione rapidi che con EMI significativamente basse, in una soluzione di dimensioni molto più ridotte. La Figura 4 mostra un circuito LT8638S a 2 MHz con EMI molto basse.

Per ottenere le prestazioni EMI migliori, il regolatore opera in modalità spread spectrum collegando il pin SYNC/MODE al pin INTV_CC. La Figura 5 mostra le emissioni dell'LT8638S del circuito di Figura 4, con la configurazione di prova definita dallo standard CISPR 25. Le linee rosse rappresentano i limiti dello standard CISPR 25 Classe 5, che sono le specifiche di emissione più severe dell’industria automotive. Come mostrato nella Figura 4, con pochissimi componenti aggiuntivi che formano un filtro di ingresso l'LT8638S è in grado di soddisfare i rigorosi limiti imposti dal CISPR 25 Classe 5 sia sui valori medi sia su quelli di picco.

Soluzione di alimentazione monolitica a corrente più elevata con LT8648S

Un ADAS complesso richiede più di un SoC, oltre a diverse telecamere e sensori. Ad esempio, un ADAS per guida completamente assistita potrebbe includere svariati chip ad alto consumo e fino a 11 telecamere. L'LT8648S ha una capacità di corrente di uscita superiore all'LT8638S. Si adatta alla linea intermedia di alimentazione richiesta da questi sofisticati ADAS. Come regolatore buck monolitico da 42 V, 15 A, la corrente di uscita e il livello di potenza dell'LT8648S si avvicinano a quelli di una soluzione di alimentazione che utilizza MOSFET esterni. La sua capacità di erogazione di corrente può essere ulteriormente estesa collegando in parallelo più LT8648S.

La Figura 6 mostra lo schema di un circuito da 3,3 V/25 A, 2 MHz, che utilizza due dispositivi LT8648S collegati in parallelo. I due regolatori LT8648S hanno ingresso e uscita comuni. I pin EN/UV e SS sono collegati per garantire che i due regolatori si avviino contemporaneamente con lo stesso slew rate. L'LT8648S utilizza la modalità di controllo della corrente di picco, che mette in correlazione la tensione di uscita V_C dell'amplificatore di errore e la corrente di carico. Collegando i pin V_C e FB, i due LT8648S in parallelo possono raggiungere un buon bilanciamento delle rispettive correnti senza la necessità di un circuito aggiuntivo. Il pin CLKOUT dell'U1 LT8648S è collegato al pin SYNC/MODE dell'U2 LT8648S. Con questo collegamento, i due regolatori LT8648S sono sincronizzati con uno sfasamento di 180°.

La Figura 7 mostra la curva di efficienza e l’aumento di temperatura del circuito della Figura 6, in funzione della corrente di carico. U1 e U2 hanno quasi la stessa temperatura, ciò indica un buon bilanciamento della corrente in questa applicazione in parallelo.

La frequenza di commutazione elevata e la compensazione esterna consentono una risposta rapida ai transitori. La Figura 8 mostra la risposta al transiente di carico del circuito illustrato nella Figura 6.

Conclusione

Questo articolo ha presentato due regolatori monolitici Silent Switcher a 42 V ad alta corrente, l'LT8638S e l'LT8648S. I loro elevatissimi livelli di efficienza, uniti alle emissioni ultrabasse, consentono di risolvere i problemi termici e di EMI negli ambienti critici delle applicazioni automotive. Grazie ai MOSFET integrati, gli LT8638S e LT8648S offrono una soluzione di dimensioni ridotte per gli alimentatori di linea intermedia ad alta corrente, necessari agli ADAS per automotive sempre più in rapida espansione.