如何利用高可靠性的电感器确保汽车安全
2023年07月19日 10:37 发布者：eechina
来源：Digi-Key作者：Art Pini
高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶系统 (ADS) 属安全关键型汽车自主驾驶系统。它们由一个或多个高级处理器组成，并会根据多个传感器的输入做出关键决策。这些处理器通常在各种低电压水平下工作，但可能需要两位数安培 (A) 的电流。
电源管理集成电路 (PMIC) 则用来向处理器提供多种电压，但它们需要高可靠性的电感器来确保电力稳定。这些电感器必须能够在高达 10 兆赫 (MHz) 的电源开关频率下，以低功率损耗处理大电流。电感器还需要有较高的体积效率、较小的印刷电路板尺寸和较低的外形。与自动驾驶系统中的所有元器件一样，它们必须满足汽车行业所要求的严格的可靠性和安全标准，如 AEC-Q200。
本文简要介绍了ADAS/ADS 的处理要求。然后，介绍了 TDK 为这种应用专门设计的电感器，并说明其独特的特性是如何帮助确保汽车设计的稳健和安全的。
自动驾驶系统
典型的 ADAS/ADS 会使用一个专门处理器，并与多个传感器连接，以便快速做出自主驾驶所需的决策（图 1）。
图 1：ADAS/ADS 中的处理器需要电源提供可靠的大电流水平和较低的电压，且由 PMIC 提供，以便根据传感器输入控制车辆。（图片来源：EPCOS-TDK）
这些处理器的电源轨电压通常较低，约为 1 伏，但电流水平可达十几安，会对 PMIC 造成压力。图 1 中的次级转换器使用 8 个功率电感器与 PMIC 一起向处理器供电。
功率电感器是在其电磁场中储存能量的无源器件，广泛用于电源电路和 DC/DC 转换器中。与 PMIC 一起作为降压转换器使用，功率电感器是影响功率转换过程性能的关键元件（图 2）。
图 2：单一降压转换器的简化示意图突现了功率电感器的作用。（图片来源：EPCOS-TDK）
降压转换器产生的输出电压比输入电压低。在降压转换器中，会与输入电压源 (VIN) 串联一个开关。输入源通过这个开关和一个低通滤波器向输出端馈电。滤波器由一个功率电感器和一个输出电容实现。在稳定的工作状态下，当开关开启的时间为 TON 时，输入驱动输出以及功率电感器。在这个 TON 期间，VIN 和输出电压 (VOUT) 之间的电压水平差正向施加到电感上，如图 2 中“Switch On”箭头所示。电感器电流 (IL) 线性上升至 Ipeak。
当开关关闭 (TOFF) 时，由于电感器储存的能量继续通过换向二极管向负载提供电流，电感电流继续沿相同的方向流动，如图 2 中“Switch Off”箭头所示。在这个 TOFF 期间，电感器的输出电压 VOUT 以相反的方向施加在它上面，电感器的电流从 Ipeak 值下降。这就产生了一个三角形的纹波电流。纹波电流的大小与功率电感器的电感量有关。电感值一般设置在能够产生达到 20-30% 额定输出电流的纹波电流的水平。输出电压将与开关的占空比成正比。
如果负载突然增加，就会出现输出电压下降，导致在短时间内通过功率电感器的峰值电流异常大，从而给输出电容充电。功率电感器的值会影响转换器的瞬态响应：小的电感器值会加快恢复时间，大的值会增加恢复时间。
在车辆环境中，这些电感器必须满足非常高的电气和机械标准。其中最重要的是高可靠性。拟在汽车中工作的无源元件的可靠性和质量必须达到汽车电子委员会 (AEC) 制定的标准要求。无源元件符合 AEC-Q200 标准，该标准是所有无源电子元件在用于汽车行业时必须满足的全球应力耐受性标准。这些测试包括抗冲击、振动、湿度、溶剂、焊接热、电路板弯曲和静电放电 (ESD)。测试还包括暴露在极端温度下和热循环中的 -40°C 到 +125°C 的温度测试。
对于汽车应用，电感器必须具有紧凑的尺寸，并且能够在预期的汽车温度范围内运行。后者的能力需要较低的串联电阻，以最大限度地减少功率损失并降低温升。电感器还应该能够在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范围的电源开关频率下工作，并且还能够处理可能出现高饱和电流的高瞬态负载。
设计用于汽车的功率电感器
EPCOS-TDK 的 CLT32 系列功率电感器专为 ADAS/ADS 应用而设计，具有高可靠性、高额定电流、低串联电阻、高饱和电流和小尺寸等特性（图 3）。
图 3：TDK CLT32 系列功率电感器具有单件式线圈/端子结构，使用厚铜绕组，没有内部连接。磁性成型材料确保了软饱和特性。（图片来源：EPCOS-TDK）
CLT32 功率电感器是围绕着一个一体式厚铜线圈形成的，采用了一个一体化的端子结构。这意味着没有内部连接导致不可靠的操作。厚实的铜线圈也使串联电阻低至 0.39 毫欧 (mΩ) ，最大限度减少了功率损失。较低的电阻也导致了负载下产生的热量较低。
线圈采用一种新开发的铁磁性塑料化合物包覆而成，形成了线圈的核心和外壳。即使在高温和高频应用中，该芯材也具有优良的电气特征。特别值得注意的是低磁芯损耗。此外，该材料能够在低压和低温下加工，最大限度地减少了生产过程中对线圈的压力。
与其他铁氧体材料相比，该磁芯材料提供了软饱和特征。由于磁饱和导致的电感变化会表示为饱和漂移，以电感变化的百分比来衡量（图 4）。
图 4：在对磁饱和的响应中，CLT32 磁芯表现出较低的饱和漂移，提供了一个软响应。（图片来源：EPCOS-TDK）
CLT32 磁芯材料提供了明显较低的因饱和引起的电感值变化，特别是在较高的温度下。其提供的最大饱和电流高至 60 A。
整个电感器装在一个 3.2 × 2.5 × 2.5 毫米 (mm) 的扁平封装中。这种高体积效率意味着可以使用多个电感器，而不必将设计转移到更大的电路板上。电感器的额定工作温度范围为 -40℃ 至 +165℃。这个温度范围超过了上面提到的 AEC-Q200 最高测试温度 125℃ 的要求。
如表 1 所示，TDK CLT32 功率电感器的电感值从 17 到 440 纳亨 (nH)。
电感 RDC，典型值 +23°C 时的 ISAT 23°C 时 Itemp 典型值 内部代码 订购代码
17 nH 0.39 mΩ 60.0 A 45.0 A B82403T0170M000 CLT32-17N
42 nH 1.0 mΩ 54.0 A 28.0 A B82403T0420M000 CLT32-42N
55 nH 1.0 mΩ 39.5 A 28.0 A B82403T0550M000 CLT32-55N
80 nH 1.9 mΩ 36.0 A 20.0 A B82403T0800M000 CLT32-80N
110 nH 1.9 mΩ 29.0 A 20.0 A B82403T0111M000 CLT32-R11
150 nH 3.3 mΩ 25.4 A 15.4 A B82403T0151M000 CLT32-R15
200 nH 3.3 mΩ 20.5 A 15.4 A B82403T0201M000 CLT32-R20
310 nH 5.3 mΩ 17.5 A 12.1 A B82403T0311M000 CLT32-R31
440 nH 7.6 mΩ 13.5 A 10.1 A B82403T0441M000 CLT32-R44
表 1：表中所示为 TDK CLT32 功率电感器的指定特征及其相应的订购代码。所有这些全部采用同一个 3.2 × 2.5 × 2.5 mm 扁平封装。（表格来源：EPCOS-TDK）
按照本表，RDC 是指电感器的串联电阻。请注意，由于更高的电感量需要更多的匝数，所以电感值与匝数成正比。ISAT 基于因饱和导致的电感值减少的饱和电流，与电感值成反比。Itemp 是最大的额定电流，基于封装中的温升。Itemp 也与电感值成反比。
功率电感器的损耗包括与线圈的串联电阻成正比的直流损耗。由于集肤效应、磁滞损失和涡流损失，还存在交流损失。涡流交流损耗与磁芯材料有关。
与其他技术相比，如薄膜或金属复合电感器，CLT32 电感器展示出更低的纹波电流功率损失（图 5）。
图 5：CLT32 功率电感器比薄膜或金属复合电感器技术具有更低的纹波电流功率损耗。（图片来源：EPCOS-TDK）
低交流纹波损失意味着可以容忍更高的纹波电流，允许 DC/DC 转换器中电容值更低。
与其他类型的电感器相比，更低的损耗也转化为更高的效率（图 6）。
图 6：单输出降压转换器中的功率电感器性能比较显示 CLT32 功率电感器的效率更高。（图片来源：EPCOS-TDK）
在轻度负载下，磁芯损耗主导着功率电感器的效率。由于电阻损失，较高的负载会降低效率。在所有情况下，CLT32 功率电感器都优于其他技术。
结语
TDK CLT32 系列功率电感器融入了创新的设计理念，提供了比竞争技术更小的尺寸和更好的电气性能，同时保证了更高的可靠性。其宽温度范围和宽频率范围使之成为下一代 ADAS/ADS 设计的理想元件。