原创 汽车电子中，“识破”开关频率的凡尔赛文学

 “凡尔赛”算是近两年来的一个热门词汇，耳熟能详的当然是撒贝宁的“北大也还行”，那各位工程师朋友们，你们在生活工作中听到过什么样的凡尔赛语录呢？今天小编有一个关于汽车电子中，开关频率的话题想和大家一起来聊一聊。

 以下三位选手想来占据你心里的“第一”的位置，让我们来看下哪位更能打动你？它们分别是FS1=2MHz，FS2=100kHz，FS3=500kHz。

 那么问题来了~~~为什么我们只选择这三个频率来让大家进行评选呢？其他的频率难道都已经被“淘汰”了吗？

我们先来看下FS1-FS3他们的自我评价：

       FS1这意思，选择了它，帮助大家节省了Debug EMI中AM这频率段的时间，听着倒是不错，EMI可是车载实验中的一大难题，有多少“攻城狮”朋友们牺牲了多个日日夜夜被关在EMI暗室中。

       FS2这是想表达自己效率出众。那在汽车应用中，产品都要考虑在85℃的环境温度下稳定工作，如果可以大大减小产品发热也是很有吸引力的。

       F3自认为还是被广大工程师所采纳呀，据小编所知，几乎大部分车载USB充电，LED车灯应用中，小伙伴们选择500kHz左右的开关频率还是很多的。

       从上述的描述可见，FS1-FS3运用“凡尔赛体”，把自己赞美了一番。不过，抛开需求谈Spec，是不是也有点“耍流氓”了呢？对于FS1，我们选择2MHz虽然避开了AM频率段，但是会不会加重了高频段的EMI问题呢？对于FS2，开关损耗确实低了，那对于追求小尺寸设计的产品该如何满足呢？对于FS3，某些应用“出场率”是很高，但所有的汽车电子应用是否可以一劳永逸，永远只选择FS3呢？

       所以这一期小课堂中，小编将以Buck电路为例，把能量转换过程比喻成“小M”要去井里挑水。如图1所示，其中，井比作输入源的电容，水缸比作输出源的电容，盛水的木桶是储能电感，小M来回的快慢就是开关频率，那么小M就可以比作一颗电源芯片。从车载应用角度出发，结合电气特性和芯片频率设定限制这两点，来为大家分析下FS1-FS3的不同表现。

       关于电气性能&芯片频率设定限制，内容概要如下：

第一部分：器件尺寸与开关频率的关系

根据上述拟人拓扑中，可作如下比喻：

• 井的大小：输入电容值

• 水缸的大小：输出电容值

• 木桶的大小：储能电感感量

然后，假定工作条件&约束条件，便可得出如下所需要的外围器件参数：

第二部分：芯片开关损耗&温升与开关频率的关系

根据上述拟人拓扑中，可作如下比喻：

• 小M疲劳程度：芯片开关损耗&温升

接下来，同样是假定在相同工作条件&约束条件下，得出不同频率的效率曲线（如下图所示），进而计算得出芯片的温升情况。

第三部分：芯片最小导通&关断时间限制与开关频率的关系

根据上述拟人拓扑中，可作如下比喻：

• 小M所能迈出的最大、最小步伐：芯片的最小导通&关断时间

这部分会结合实际车载电池的变化范围，来说明什么情况下会触发到芯片的最小导通&关断时间。

除此之外，我们还留了一个关于开关频率选择的“伏笔”，也就是为什么在汽车电子的设计中，为什么我们是从300kHz以下，300kHz-530kHz，或是1.8MHz以上这三个频率中挑选出的FS1，FS2和FS3。

说到车载应用中的DCDC，让大家提及最多的，想必也是困惑大家最多的EMI问题。对于EMI而言，开关频率的选择也显得尤为重要，因此上一期中的“伏笔”就在此刻得以揭晓，如下是一张CISPR25 Class 3 CE的限值标准图，从中可以发现限值线是分段断续的，我们选择的FS1，FS2，FS3就落在这三个断续区域内。

那清晰了三个频率的由来，接下来就是在不同的应用中，对三个频率做出正确的评价，选对所需要的开关频率。这一期将举三个应用实例来进行分析，分别是车载传感器，车载移动设备充电，和自动驾驶控制器。

1. 车载传感器：摄像头

相关要点：外围器件尺寸

这类产品一直以来都是追求小型化的设计，必然需要更小的电感电容等外围器件，对于开关电源来说，要做的就是把开关频率推向高频，从而降低外围器件尺寸。FS1（2MHz）在这里可以发挥其长处，同时也不用担心2MHz会引起严重的发热和EMI问题，因为摄像头的功耗不大，对于12V 输入来说，电流一般只有100-200mA，所以对于DCDC而言，其导通损耗较小。所以，即使抬高开关频率增加的开关损耗也不会使得电源整体产生较高的温升，同时，摄像头模组整体的功耗不大，而且电源一般也是集成度很高的PMIC方案，优化了高频di/dt环路，EMI性能相对来说更加友好些。 

选用FS1（2MHz）在保证了小体积的同时，又有着不错的效率和良好的EMI表现！

2. 车载移动充电设备：车载USB充电

相关要点：开关损耗&芯片温升

这类产品从原先的单口Type-A更新迭代到双口Type-A，再到后来的双口Type-C，以及目前的Type-C PD。其同样对于PCB板有着一定的尺寸要求，虽不像摄像头模组那般，但通常产品控制在50mm*50mm左右。

如果说PCB板的大小也局限了布局和器件尺寸，那我们直接选择FS1（2MHz）实现产品的小型化就好了？以双口Type-C为例，每个充电口可达到5V@3A，即总功率达到了30W，即便考虑94%的效率，也有2W左右的热量存在于PCB板上，并且车载环境试验通常要考虑在85℃情况下稳定运行。

可见，FS1不是最优解。

因此，综合考虑功耗和尺寸这两者因素，FS3（500kHz）左右才是最合适的开关频率选项。

3. 自动驾驶控制器：360环视ECU（Electronic Control Unit）

相关要点：芯片最小导通/关断时间限制

此类应用，板面积相对来说没那么紧张，相比于摄像头模组和USB充电，具备相对充足的PCB Layout面积和散热空间，因此对于开关频率的选择没有那么苛刻。但攻城狮朋友们在设计中，还是需要将芯片本身的导通/关断时间限制考虑在内。

比如在商用车中，其电池系统是24V，最高稳态值会达到32V，然后360环视系统中一般都需要3.3V的供电，那么这时压差很大，如果频率选择FS1（2MHz），通过计算可以得出

再根据芯片数据手册查询到Minimum On Time如下所示，即触发到了Min. On Time。所以需要选择更低的频率来避开触发Min. On Time。

另外，环视系统中有时会提供一路8V的电源轨，作为摄像头模组的输入电。假设工况是乘用车12V电池系统，往往也需要考虑输入电压工作范围在9V-16V，也就是说有9V转8V的工况，同样假设选取FS1（2MHz），计算可得

同样根据规格书所提供的Minimum Off time可见，最大会到70ns，所以也会触发到Min. Off Time。

因此，针对上述两种情况，为了保证芯片稳定的工作在某个开关频率下，就要结合具体的输入输出电压条件，选择最佳的开关频率。

现在，针对汽车电子产品，大家可以识别出不同开关频率的凡尔赛语录了吧。不同开关频率都各有特色，并不是一成不变的只选择其中一种，还是要结合实际的产品应用来得出最合适的开关频率，让开关电源的性能更加稳定，更加卓越！