作者：Art Pini

　　高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶系统 (ADS) 是安全关键型汽车自动驾驶系统，由一个或多个先进处理器组成，这些处理器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运行，但可能消耗两位数安培 (A) 范围内的电流。

　　电源管理集成电路(PMIC)用于为处理器提供多种电压，但需要高可靠性电感器以确保稳定的电源。这些电感器必须能够在高达 10 兆赫兹 (MHz) 的电源开关频率下处理大电流并保持低功率损耗。电感器还需要具有体积高效、印刷电路 (PC) 板占用空间小和薄型等特点。与自动驾驶系统中的所有组件一样，它们必须满足汽车行业要求的严格可靠性和安全标准，例如 AEC-Q200。

　　本文简要介绍了ADAS/ADS的处理要求。然后介绍专门 为此应用而设计的TDK电感器，并展示其独特的特性如何帮助确保稳健且安全的汽车设计。

　　自动驾驶系统

　　典型的 ADAS/ADS 使用与多个传感器连接的专用处理器来做出自动驾驶所需的快速决策(图 1)。

　　图 1：ADAS/ADS 中的处理器需要高电流水平下的可靠低压电源，该电源由 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，但电流水平可能达到数十安培，给 PMIC 带来压力。图 1 中的次级转换器使用 8 个功率电感器和 PMIC 为处理器供电。

　　功率电感器是在电磁场中储存能量的无源器件，广泛应用于电源电路和DC/DC转换器中。功率电感器与 PMIC 一起用作降压或降压转换器，是影响功率转换过程性能的关键组件(图 2)。

　　图 2：单个降压转换器的简化原理图突出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低于输入电压。在降压转换器中，开关与输入电压源 (V IN )串联。输入源通过开关和低通滤波器馈送输出。该滤波器由功率电感器和输出电容器实现。在稳定工作状态下，当开关导通一段时间 T ON时，输入驱动输出以及功率电感器。在此 T ON期间，V IN和输出电压 (V OUT )之间的电压电平差正向施加到电感器，如“接通”箭头所示。电感电流 (I L ) 线性上升至 I高峰。

　　当开关关闭 (T OFF ) 时，由于电感器存储的能量继续通过换向二极管向负载提供电流，电感器电流继续沿相同方向流动，如“关闭”箭头所示。在此T OFF期间，电感器上反向施加输出电压V OUT ，并且电感器电流从I峰值开始减小。这会产生三角纹波电流。纹波电流的大小与功率电感的电感有关。电感值通常设置为导致纹波电流为额定输出电流的20-30%。输出电压与开关的占空比成正比。

　　如果负载突然增加，输出电压就会下降，导致短时间内通过功率电感的峰值电流异常大，对输出电容充电。功率电感器的值会影响转换器的瞬态响应：较小的电感器值会加快恢复时间，较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。用于车辆运行的无源元件的可靠性和质量符合汽车电子委员会 (AEC) 制定的标准。无源元件符合 AEC-Q200 标准，这是所有无源电子元件在汽车行业使用时必须满足的耐压全球标准。测试包括耐冲击、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 -40°C 至 +125°C 的温度测试，并暴露于极端温度和热循环。

　　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。后一种能力需要低串联电阻，以最大限度地减少功率损耗和温升。电感器还应该能够在 PMIC 通常使用的 2 至 10 MHz 范围内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。

　　专为汽车设计的功率电感器

　　EPCOS-TDKa 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(图 3)。

　　图 3：TDK CLT32 系列功率电感器采用单片线圈/端子结构，采用厚铜绕组，无内部连接。磁性模制材料确保了软饱和特性。 (图片来源：EPCOS-TDK)

　　CLT32 功率电感器围绕具有一体式端子结构的一件式厚铜线圈形成。这意味着不存在导致运行不可靠的内部连接。厚铜线圈还可将串联电阻保持在低至 0.39 毫欧 (mΩ)，以最大限度地减少功率损耗。较低的电阻还导致负载下产生的热量较低。

　　该线圈采用新开发的铁磁塑料化合物进行包覆成型，该化合物形成线圈的磁芯和外壳。即使在高温和高频应用中，磁芯材料也具有出色的电气特性。特别值得注意的是磁芯损耗低。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线圈上的应力。

　　与替代铁氧体材料相比，该磁芯材料具有软饱和特性。磁饱和导致的电感变化表示为饱和漂移，以电感变化的百分比来测量(图 4)。

　　图 4：在响应磁饱和时，CLT32 磁芯表现出低饱和漂移，提供软响应。 (图片来源：EPCOS-TDK)

　　CLT32 磁芯材料因饱和而导致的电感值变化明显较低，尤其是在较高温度下。它们提供高达 60 A 的最大饱和电流。

　　整个电感器采用薄型封装，尺寸为 3.2 x 2.5 x 2.5 毫米 (mm)。这种高体积效率意味着可以使用多个电感器，而无需将设计移至更大的印刷电路板。电感器的额定工作温度范围为 -40°C 至 +165°C。该温度范围超出了上述 AEC-Q200 最高测试温度 125°C 的要求。

　　TDK CLT32 功率电感器的电感值范围为 17 至 440 纳亨 (nH)，如表 1 所示。

　　表 1：所示为 TDK CLT32 功率电感器的指定特性及其相应的订购代码。所有产品均采用相同的 3.2 x 2.5 x 2.5 x 2.5 mm 薄型封装。 (表来源：EPCOS-TDK)

　　参见表中，R DC是电感器的串联电阻。请注意，由于较高的电感所需的匝数较多，因此它与电感值成比例。 I SAT是基于饱和导致的电感值减小的饱和电流，与电感成反比。 I temp是最大额定电流，基于封装中的温度升高。 I temp也与电感值成反比。

　　功率电感器中的损耗包括与线圈的串联电阻成比例的直流损耗。还有由于集肤效应、磁滞损耗和涡流损耗而导致的交流损耗。涡流交流损耗与磁芯材料有关。

　　与薄膜或金属复合电感器等替代技术相比，CLT32 电感器的纹波电流功率损耗更低(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)

　　低交流纹波损耗意味着可以承受更高的纹波电流，从而允许 DC/DC 转换器中的电容值更低。

　　与其他电感器类型相比，更低的损耗也意味着更高的效率(图 6)。

　　图 6：单输出降压转换器中功率电感器的性能比较显示了 CLT32 功率电感器的效率更高。 (图片来源：EPCOS-TDK)

　　在轻负载下，磁芯损耗决定着功率电感器的效率。较高的负载会因电阻损耗而降低效率。在所有情况下，CLT32 功率电感器都优于替代技术。

　　结论

　　TDK CLT32 系列功率电感器采用的创新设计理念比竞争技术具有更小的尺寸和更好的电气性能，同时确保更高的可靠性。其宽温度范围和宽频率范围使其成为下一代 ADAS/ADS 设计的理想组件。