作者：Art Pini

　　高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng) (ADS) 是安全關(guān)鍵型汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，由一個(gè)或多個(gè)先進(jìn)處理器組成，這些處理器根據(jù)多個(gè)傳感器的輸入做出關(guān)鍵決策。這些處理器通常在各種低電壓水平下運(yùn)行，但可能消耗兩位數(shù)安培 (A) 范圍內(nèi)的電流。

　　電源管理集成電路(PMIC)用于為處理器提供多種電壓，但需要高可靠性電感器以確保穩(wěn)定的電源。這些電感器必須能夠在高達(dá) 10 兆赫茲 (MHz) 的電源開(kāi)關(guān)頻率下處理大電流并保持低功率損耗。電感器還需要具有體積高效、印刷電路 (PC) 板占用空間小和薄型等特點(diǎn)。與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的所有組件一樣，它們必須滿足汽車行業(yè)要求的嚴(yán)格可靠性和安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 AEC-Q200。

　　本文簡(jiǎn)要介紹了ADAS/ADS的處理要求。然后介紹專門 為此應(yīng)用而設(shè)計(jì)的TDK電感器，并展示其獨(dú)特的特性如何幫助確保穩(wěn)健且安全的汽車設(shè)計(jì)。

　　自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

　　典型的 ADAS/ADS 使用與多個(gè)傳感器連接的專用處理器來(lái)做出自動(dòng)駕駛所需的快速?zèng)Q策(圖 1)。

　　圖 1：ADAS/ADS 中的處理器需要高電流水平下的可靠低壓電源，該電源由 PMIC 提供，以便根據(jù)傳感器輸入控制車輛。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　這些處理器的電源軌電壓通常較低，約為 1 伏，但電流水平可能達(dá)到數(shù)十安培，給 PMIC 帶來(lái)壓力。圖 1 中的次級(jí)轉(zhuǎn)換器使用 8 個(gè)功率電感器和 PMIC 為處理器供電。

　　功率電感器是在電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量的無(wú)源器件，廣泛應(yīng)用于電源電路和DC/DC轉(zhuǎn)換器中。功率電感器與 PMIC 一起用作降壓或降壓轉(zhuǎn)換器，是影響功率轉(zhuǎn)換過(guò)程性能的關(guān)鍵組件(圖 2)。

　　圖 2：?jiǎn)蝹€(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖突出了功率電感器的作用。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出電壓低于輸入電壓。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開(kāi)關(guān)與輸入電壓源 (V IN )串聯(lián)。輸入源通過(guò)開(kāi)關(guān)和低通濾波器饋送輸出。該濾波器由功率電感器和輸出電容器實(shí)現(xiàn)。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通一段時(shí)間 T ON時(shí)，輸入驅(qū)動(dòng)輸出以及功率電感器。在此 T ON期間，V IN和輸出電壓 (V OUT )之間的電壓電平差正向施加到電感器，如“接通”箭頭所示。電感電流 (I L ) 線性上升至 I高峰。

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉 (T OFF ) 時(shí)，由于電感器存儲(chǔ)的能量繼續(xù)通過(guò)換向二極管向負(fù)載提供電流，電感器電流繼續(xù)沿相同方向流動(dòng)，如“關(guān)閉”箭頭所示。在此T OFF期間，電感器上反向施加輸出電壓V OUT ，并且電感器電流從I峰值開(kāi)始減小。這會(huì)產(chǎn)生三角紋波電流。紋波電流的大小與功率電感的電感有關(guān)。電感值通常設(shè)置為導(dǎo)致紋波電流為額定輸出電流的20-30%。輸出電壓與開(kāi)關(guān)的占空比成正比。

　　如果負(fù)載突然增加，輸出電壓就會(huì)下降，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)通過(guò)功率電感的峰值電流異常大，對(duì)輸出電容充電。功率電感器的值會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)：較小的電感器值會(huì)加快恢復(fù)時(shí)間，較大的值會(huì)增加恢復(fù)時(shí)間。

　　在車輛環(huán)境中，這些電感器必須滿足非常高的電氣和機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)。其中最重要的是高可靠性。用于車輛運(yùn)行的無(wú)源元件的可靠性和質(zhì)量符合汽車電子委員會(huì) (AEC) 制定的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)源元件符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，這是所有無(wú)源電子元件在汽車行業(yè)使用時(shí)必須滿足的耐壓全球標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試包括耐沖擊、振動(dòng)、濕度、溶劑、焊接熱、電路板彎曲和靜電放電 (ESD)。測(cè)試還包括 -40°C 至 +125°C 的溫度測(cè)試，并暴露于極端溫度和熱循環(huán)。

　　對(duì)于汽車應(yīng)用，電感器必須具有緊湊的尺寸，并且能夠在預(yù)期的汽車溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。后一種能力需要低串聯(lián)電阻，以最大限度地減少功率損耗和溫升。電感器還應(yīng)該能夠在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范圍內(nèi)的電源開(kāi)關(guān)頻率下工作，并且還能夠處理可能出現(xiàn)高飽和電流的高瞬態(tài)負(fù)載。

　　專為汽車設(shè)計(jì)的功率電感器

　　EPCOS-TDKa 的CLT32系列功率電感器專為 ADAS/ADS 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高可靠性、高額定電流、低串聯(lián)電阻、高飽和電流和小尺寸(圖 3)。

　　圖 3：TDK CLT32 系列功率電感器采用單片線圈/端子結(jié)構(gòu)，采用厚銅繞組，無(wú)內(nèi)部連接。磁性模制材料確保了軟飽和特性。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　CLT32 功率電感器圍繞具有一體式端子結(jié)構(gòu)的一件式厚銅線圈形成。這意味著不存在導(dǎo)致運(yùn)行不可靠的內(nèi)部連接。厚銅線圈還可將串聯(lián)電阻保持在低至 0.39 毫歐 (mΩ)，以最大限度地減少功率損耗。較低的電阻還導(dǎo)致負(fù)載下產(chǎn)生的熱量較低。

　　該線圈采用新開(kāi)發(fā)的鐵磁塑料化合物進(jìn)行包覆成型，該化合物形成線圈的磁芯和外殼。即使在高溫和高頻應(yīng)用中，磁芯材料也具有出色的電氣特性。特別值得注意的是磁芯損耗低。此外，該材料能夠在低壓和低溫下加工，最大限度地減少了生產(chǎn)過(guò)程中線圈上的應(yīng)力。

　　與替代鐵氧體材料相比，該磁芯材料具有軟飽和特性。磁飽和導(dǎo)致的電感變化表示為飽和漂移，以電感變化的百分比來(lái)測(cè)量(圖 4)。

　　圖 4：在響應(yīng)磁飽和時(shí)，CLT32 磁芯表現(xiàn)出低飽和漂移，提供軟響應(yīng)。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　CLT32 磁芯材料因飽和而導(dǎo)致的電感值變化明顯較低，尤其是在較高溫度下。它們提供高達(dá) 60 A 的最大飽和電流。

　　整個(gè)電感器采用薄型封裝，尺寸為 3.2 x 2.5 x 2.5 毫米 (mm)。這種高體積效率意味著可以使用多個(gè)電感器，而無(wú)需將設(shè)計(jì)移至更大的印刷電路板。電感器的額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +165°C。該溫度范圍超出了上述 AEC-Q200 最高測(cè)試溫度 125°C 的要求。

　　TDK CLT32 功率電感器的電感值范圍為 17 至 440 納亨 (nH)，如表 1 所示。

　　表 1：所示為 TDK CLT32 功率電感器的指定特性及其相應(yīng)的訂購(gòu)代碼。所有產(chǎn)品均采用相同的 3.2 x 2.5 x 2.5 x 2.5 mm 薄型封裝。 (表來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　參見(jiàn)表中，R DC是電感器的串聯(lián)電阻。請(qǐng)注意，由于較高的電感所需的匝數(shù)較多，因此它與電感值成比例。 I SAT是基于飽和導(dǎo)致的電感值減小的飽和電流，與電感成反比。 I temp是最大額定電流，基于封裝中的溫度升高。 I temp也與電感值成反比。

　　功率電感器中的損耗包括與線圈的串聯(lián)電阻成比例的直流損耗。還有由于集膚效應(yīng)、磁滯損耗和渦流損耗而導(dǎo)致的交流損耗。渦流交流損耗與磁芯材料有關(guān)。

　　與薄膜或金屬?gòu)?fù)合電感器等替代技術(shù)相比，CLT32 電感器的紋波電流功率損耗更低(圖 5)。

　　圖 5：CLT32 功率電感器比薄膜或金屬?gòu)?fù)合電感器技術(shù)具有更低的紋波電流功率損耗。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　低交流紋波損耗意味著可以承受更高的紋波電流，從而允許 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的電容值更低。

　　與其他電感器類型相比，更低的損耗也意味著更高的效率(圖 6)。

　　圖 6：?jiǎn)屋敵鼋祲恨D(zhuǎn)換器中功率電感器的性能比較顯示了 CLT32 功率電感器的效率更高。 (圖片來(lái)源：EPCOS-TDK)

　　在輕負(fù)載下，磁芯損耗決定著功率電感器的效率。較高的負(fù)載會(huì)因電阻損耗而降低效率。在所有情況下，CLT32 功率電感器都優(yōu)于替代技術(shù)。

　　結(jié)論

　　TDK CLT32 系列功率電感器采用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)具有更小的尺寸和更好的電氣性能，同時(shí)確保更高的可靠性。其寬溫度范圍和寬頻率范圍使其成為下一代 ADAS/ADS 設(shè)計(jì)的理想組件。