作者：Art Pini

　　高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛系統 (ADS) 是安全關鍵型汽車自動駕駛系統，由一個或多個先進處理器組成，這些處理器根據多個傳感器的輸入做出關鍵決策。這些處理器通常在各種低電壓水平下運行，但可能消耗兩位數安培 (A) 范圍內的電流。

　　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定的電源。這些電感器必須能夠在高達 10 兆赫茲 (MHz) 的電源開關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。與自動駕駛系統中的所有組件一樣，它們必須滿足汽車行業要求的嚴格可靠性和安全標準，例如 AEC-Q200。

　　本文簡要介紹了ADAS/ADS的處理要求。然后介紹專門 為此應用而設計的TDK電感器，并展示其獨特的特性如何幫助確保穩健且安全的汽車設計。

　　自動駕駛系統

　　典型的 ADAS/ADS 使用與多個傳感器連接的專用處理器來做出自動駕駛所需的快速決策(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，以便根據傳感器輸入控制車輛。 (圖片來源：EPCOS-TDK)

　　這些處理器的電源軌電壓通常較低，約為 1 伏，但電流水平可能達到數十安培，給 PMIC 帶來壓力。圖 1 中的次級轉換器使用 8 個功率電感器和 PMIC 為處理器供電。

　　功率電感器是在電磁場中儲存能量的無源器件，廣泛應用于電源電路和DC/DC轉換器中。功率電感器與 PMIC 一起用作降壓或降壓轉換器，是影響功率轉換過程性能的關鍵組件(圖 2)。

　　圖 2：單個降壓轉換器的簡化原理圖突出了功率電感器的作用。 (圖片來源：EPCOS-TDK)

　　降壓轉換器產生的輸出電壓低于輸入電壓。在降壓轉換器中，開關與輸入電壓源 (V IN )串聯。輸入源通過開關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現。在穩定工作狀態下，當開關導通一段時間 T ON時，輸入驅動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。

　　當開關關閉 (T OFF ) 時，由于電感器存儲的能量繼續通過換向二極管向負載提供電流，電感器電流繼續沿相同方向流動，如“關閉”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峰值開始減小。這會產生三角紋波電流。紋波電流的大小與功率電感的電感有關。電感值通常設置為導致紋波電流為額定輸出電流的20-30%。輸出電壓與開關的占空比成正比。

　　如果負載突然增加，輸出電壓就會下降，導致短時間內通過功率電感的峰值電流異常大，對輸出電容充電。功率電感器的值會影響轉換器的瞬態響應：較小的電感器值會加快恢復時間，較大的值會增加恢復時間。

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

　　對于汽車應用，電感器必須具有緊湊的尺寸，并且能夠在預期的汽車溫度范圍內運行。后一種能力需要低串聯電阻，以最大限度地減少功率損耗和溫升。電感器還應該能夠在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范圍內的電源開關頻率下工作，并且還能夠處理可能出現高飽和電流的高瞬態負載。

　　專為汽車設計的功率電感器

　　EPCOS-TDKa 的CLT32系列功率電感器專為 ADAS/ADS 應用而設計，具有高可靠性、高額定電流、低串聯電阻、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/端子結構，采用厚銅繞組，無內部連接。磁性模制材料確保了軟飽和特性。 (圖片來源：EPCOS-TDK)

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

　　該線圈采用新開發的鐵磁塑料化合物進行包覆成型，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過程中線圈上的應力。

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

　　圖 4：在響應磁飽和時，CLT32 磁芯表現出低飽和漂移，提供軟響應。 (圖片來源：EPCOS-TDK)

　　CLT32 磁芯材料因飽和而導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 60 A 的最大飽和電流。

　　整個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電感器，而無需將設計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的訂購代碼。所有產品均采用相同的 3.2 x 2.5 x 2.5 x 2.5 mm 薄型封裝。 (表來源：EPCOS-TDK)

　　參見表中，R DC是電感器的串聯電阻。請注意，由于較高的電感所需的匝數較多，因此它與電感值成比例。 I SAT是基于飽和導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電阻成比例的直流損耗。還有由于集膚效應、磁滯損耗和渦流損耗而導致的交流損耗。渦流交流損耗與磁芯材料有關。

　　與薄膜或金屬復合電感器等替代技術相比，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復合電感器技術具有更低的紋波電流功率損耗。 (圖片來源：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：單輸出降壓轉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。 (圖片來源：EPCOS-TDK)

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

　　結論

　　TDK CLT32 系列功率電感器采用的創新設計理念比競爭技術具有更小的尺寸和更好的電氣性能，同時確保更高的可靠性。其寬溫度范圍和寬頻率范圍使其成為下一代 ADAS/ADS 設計的理想組件。