ZHCT945 June 2025 LM5137F-Q1
艙駕融合架構(gòu)同時(shí)支持汽車信息娛樂系統(tǒng)和智能駕駛功能，與傳統(tǒng)的艙駕分立架構(gòu)相比，該架構(gòu)集成度更高，模塊化設(shè)計(jì)更靈活，支持L2+以上級(jí)別自動(dòng)駕駛，同時(shí)滿足座艙和智駕兩大模塊算力需求。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要具備功率超過450W的高階處理器，而為處理器供電的電源軌也迎來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，在提供高功率的同時(shí)，如何滿足高效率，低紋波，快速的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)，高負(fù)載下的熱管理以及功能安全的要求尤為重要。LM5137F-Q1四相交錯(cuò)降壓方案是專門為解決高功率設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)來設(shè)計(jì)。
高功率滿足艙駕融合處理器電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)
LM5137F-Q1具備可堆疊功能，兩顆相同封裝的LM5137F-Q1通過級(jí)聯(lián)成一個(gè)四相交錯(cuò)穩(wěn)壓器，其中第一個(gè)控制器為主控制器，第二個(gè)為從控制器，為高性能的艙駕融合處理器提供大于450W功率。四相交錯(cuò)控制器通過四相交錯(cuò)并聯(lián)，可以有效的降低輸入輸出電流紋波，且平均到每個(gè)電感器存儲(chǔ)的能量降低可提高負(fù)載的瞬態(tài)性能并減小電感尺寸，原理圖如圖1。
圖 1 兩顆LM5137-Q1構(gòu)成四相交錯(cuò)控制器在配置時(shí)，需要將主從控制器的SYNC，COMP，SS，和EN連接在一起，確保開關(guān)頻率，運(yùn)行模式能保持一致。與單相控制器相比，四相交錯(cuò)可有效減小紋波電流，從而減小輸出電容器的紋波電壓，減小的紋波電流可由公式1和公式2計(jì)算得出。
PCB布局布線注意事項(xiàng)
PCB布局布線對大功率四相交錯(cuò)Buck的性能來說至關(guān)重要，主要注意事項(xiàng)包括：大功率回路設(shè)計(jì)，dv/dt節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)，電流采樣信號(hào)線設(shè)計(jì)。電流采樣信號(hào)線要采用差分形式，從而降低噪聲的影響。大功率回路設(shè)計(jì)需要對熱性能、噪聲、尺寸進(jìn)行折中優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最大化降低回路寄生電感和功率器件溫升效應(yīng)的小尺寸方案。功率回路設(shè)計(jì)如圖2，環(huán)路a承擔(dān)輸入開關(guān)電流，環(huán)路b承載輸出開關(guān)電流，小面積回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高功率密度和較低的回路寄生電感，同時(shí)該布局為開關(guān)管提供了最佳散熱路徑。
圖 2 PCB功率回路在實(shí)際電路中，驅(qū)動(dòng)回路的寄生電阻、寄生電感以及MOS柵極電容會(huì)導(dǎo)致柵極信號(hào)延遲。由于PCB面積限制，無法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的位置十分靠近MOS。如果驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET之間布線不合理，會(huì)增大寄生電感，僅僅nH量級(jí)的寄生電感就會(huì)和MOSFET源漏電容共振，從而產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。為了盡可能減小寄生電感，如圖3所示，需要盡可能減小驅(qū)動(dòng)回路的面積。
圖 3 PCB 驅(qū)動(dòng)回路開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW在開關(guān)管開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生high dv/dt，形成強(qiáng)電場發(fā)射源，并且會(huì)通過寄生電容向臨近線路耦合噪聲。開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積過大會(huì)引入額外的寄生電感，可能導(dǎo)致電壓振鈴或過沖，甚至超出開關(guān)管耐壓范圍。因此，采用圖4布線方式減小high dv/dt節(jié)點(diǎn)的布線面積，從而降低電場輻射，耦合效應(yīng)以及寄生效應(yīng)。
圖 4 High dv/dt回路基于LM5137F-Q1設(shè)計(jì)四相交錯(cuò)Buck的PCB如圖5，四路輸出對稱式布局，通過四相交錯(cuò)方式可最大化降低輸出電壓的紋波以及四相之間的比較好的均流特性。
圖 5 四相交錯(cuò)Buck PCB四相交錯(cuò)Buck測試結(jié)果
采用LM5137F-Q1設(shè)計(jì)的四相交錯(cuò)Buck在輸出電流為42A條件下進(jìn)行環(huán)路、紋波、效率、熱性能、動(dòng)態(tài)負(fù)載（最高跳變至83A）測試，可以滿足市面上已發(fā)布的艙駕融合處理器的功率需求。
如圖6所示，相位裕度約61°，增益裕度約-13dB，環(huán)路帶寬約29kHz，環(huán)路穩(wěn)定性滿足要求。圖7為輸出電壓紋波測試結(jié)果，峰峰值僅為16mV。效率曲線如圖8所示，輕載下15mA-50mA典型值13.5V輸入時(shí)效率超過80%，重載下42A典型值13.5V輸入時(shí)效率超過94%. 輕載重載時(shí)效率均表現(xiàn)較好的特性。圖9為四相Buck的熱成像，在42A的輸出電流情況下，溫度僅為 98℃，熱性能十分優(yōu)異。圖10為負(fù)載按照21A-42A-56A-83A-21A趨勢動(dòng)態(tài)跳變，可以看出超調(diào)電壓僅為輸出電壓±3.5%，滿足大功率艙駕融合處理器動(dòng)態(tài)負(fù)載的要求。圖11為負(fù)載按照21A-83A-56A-42A-21A趨勢動(dòng)態(tài)跳變，此時(shí)超調(diào)電壓為輸出電壓±4.2%，這是由于負(fù)載在1us內(nèi)從21A跳變到83A，輸出電容放電不足導(dǎo)致電壓跌落值略大，但仍然滿足大功率艙駕融合處理器動(dòng)態(tài)負(fù)載的要求。
圖 6 環(huán)路測試結(jié)果
圖 7 紋波測試結(jié)果
圖 8 效率測試結(jié)果
圖 9 熱成像測試結(jié)果
圖 10 動(dòng)態(tài)負(fù)載測試結(jié)果1
圖 11 動(dòng)態(tài)負(fù)載測試結(jié)果2