Fa­ci­li­ter la concep­tion des ADAS avec un conver­tis­seur à dé­cou­page à faibles IEM

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Dans les sys­tèmes avan­cés d’aide à la conduite em­bar­qués dans les au­to­mo­biles et les ca­mions, le choix des conver­tis­seurs à dé­cou­page s’avère dé­li­cat. De faibles ni­veaux d’in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques sont en ef­fet exi­gés, afin de fa­ci­li­ter la mise en confor­mi­té aux normes CEM.

Dans les sys­tèmes avan­cés d’aide à la conduite em­bar­qués dans les au­to­mo­biles et les ca­mions, le choix des conver­tis­seurs à dé­cou­page s’avère dé­li­cat. De faibles ni­veaux d’in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques sont en ef­fet exi­gés, afin de fa­ci­li­ter la mise en confor­mi­té aux normes CEM.

ADAS est l’acro­nyme de Ad­van­ced Dri­ver As­sis­tance Sys­tems, des sys­tèmes avan­cés d’aide à la conduite au­jourd’hui em­bar­qués dans nombre de nou­veaux vé­hi­cules et ca­mions. Ces sys­tèmes fa­ci­litent une conduite sé­cu­ri­sée et alertent le conduc­teur en cas de dé­tec­tion de risques liés à la pré­sence de pié­tons ou de cy­clistes en­vi­ron­nants, ou même d’autres vé­hi­cules sur une tra­jec­toire dan­ge­reuse. En outre, ces sys­tèmes offrent gé­né­ra­le­ment des fonc­tions dy­na­miques telles que le con­trôle de vi­tesse in­tel­li­gent, la dé­tec­tion d’angles morts, l’alerte de fran­chis­se­ment de ligne, la sur­veillance de la som­no­lence, le frei­nage au­to­ma­tique, le con­trôle de l’an­ti­pa­ti­nage, la vi­sion noc­turne. Les at­tentes des consom­ma­teurs pour plus de s écu­ri­té et de confort au vo­lant, ain­si que l’aug­men­ta­tion conti­nue des lé­gis­la­tions gouvernementales re­la­tives à la sé­cu­ri­té, sont les prin­ci­paux mo­teurs de crois­sance des ADAS dans la se­conde moi­tié de cette dé­cen­nie. Cette crois­sance n’est pas sans po­ser des dé­fis à l’in­dus­trie. Ceux-ci in­cluent la pres­sion sur les coûts, l’in­fla­tion, la com­plexi­té et la dif­fi­cul­té de tes­ter ces sys­tèmes. D’une ma­nière gé­né­rale, un sys­tème ADAS com­prend un mi­cro­pro­ces­seur qui re­cueille les in­for­ma­tions en pro­ve­nance des nom­breux cap­teurs à l’in­té­rieur du vé­hi­cule. Les don­nées sont trai­tées, afin d’être pré­sen­tées au conduc­teur de fa­çon à ce qu’elles soient ai­sé­ment com­pré­hen­sibles. Ces sys­tèmes sont gé­né­ra­le­ment ali­men­tés di­rec­te­ment à par­tir de la bat­te­rie prin­ci­pale du vé­hi­cule. Si la ten­sion no­mi­nale évo­lue entre 9 V et 18 V dans une voi­ture, du fait des tran­si­toires de ten­sion, elle peut at­teindre 42 V, mais aus­si des­cendre à 3,4 V lors d’un dé­mar­rage à froid. Par suite, tout conver­tis­seur DC-DC in­té­gré est te­nu de sup­por­ter, au mi­ni­mum, la plage éten­due de ten­sion d’en­trée al­lant de 3,4 V à 42 V. Par ailleurs, beau­coup de sys­tèmes à deux bat­te­ries, comme ceux sou­vent ren­con­trés dans les ca­mions, re­quièrent une plage de ten­sion d’en­trée plus large, avec une li­mite su­pé­rieure re­pous­sée à 65 V. De ce fait, cer­tains concep­teurs de sys­tèmes ADAS font en sorte que la plage de ten­sion d’en­trée 3,4 V à 65 V soit cou­verte, afin qu’ils puissent être uti­li­sés dans des voi­tures ou des ca­mions, tout en réa­li­sant des éco­no­mies d’échelle pen­dant le pro­ces­sus de fa­bri­ca­tion.

Les contraintes liées aux sys­tèmes ADAS

Beau­coup de sys­tèmes ADAS fonc­tionnent à par­tir de rails d’ali­men­ta­tion de 5 V et de 3,3 V pour ali­men­ter leurs di­vers cir­cuits in­té­grés ana­lo­giques et nu­mé­riques. Les

fa­bri­cants de tels sys­tèmes pré­fèrent uti­li­ser un seul conver­tis­seur pour trai­ter si­mul­ta­né­ment les confi­gu­ra­tions à une et deux bat­te­ries. De plus, le sys­tème est gé­né­ra­le­ment pla­cé dans un en­droit du vé­hi­cule où se posent à la fois des contraintes d’en­com­bre­ment et ther­miques. Ce qui li­mite les mé­thodes de re­froi­dis­se­ment pos­sibles. Alors qu’il est fré­quent d’uti­li­ser un conver­tis­seur DC-DC haute ten­sion pour gé­né­rer les rails de 5 V et de 3,3 V di­rec­te­ment à par­tir de la bat­te­rie, dans les sys­tèmes ADAS ac­tuels, un ré­gu­la­teur à dé­cou­page doit éga­le­ment com­mu­ter à 2 MHz, ou plus. Une va­leur su­pé­rieure aux fré­quences de dé­cou­page si­tuées sous la barre his­to­rique des 500 kHz. La rai­son ex­pli­quant cette évo­lu­tion est la né­ces­si­té de ré­duire l’en­com­bre­ment sur le cir­cuit im­pri­mé, mais aus­si d’évi­ter toute in­ter­fé­rence po­ten­tielle en sé­lec­tion­nant une fré­quence si­tuée au­de­là de la bande AM. Comme si la tâche des concep­teurs n’était pas dé­jà as­sez com­pli­quée, ils doivent éga­le­ment veiller à ce que les sys­tèmes ADAS res­pectent les dif­fé­rentes normes re­la­tives à l’im­mu­ni­té au bruit à l’in­té­rieur du vé­hi­cule. Dans l’en­vi­ron­ne­ment au­to­mo­bile, les ré­gu­la­teurs à dé­cou­page rem­placent les ré­gu­la­teurs li­néaires dans les en­droits où la faible dis­si­pa­tion et le ren­de­ment sont des pa­ra­mètres cri­tiques. De plus, le ré­gu­la­teur à dé­cou­page est gé­né­ra­le­ment le pre­mier com­po­sant ac­tif sur le bus d’ali­men­ta­tion d’en­trée. Pour cette rai­son, son im­pact est im­por­tant sur les per­for­mances en termes d’in­ter­fé­rences élec­tro­ma­gné­tiques (IEM) du conver­tis­seur com­plet. Il existe deux types d’émis­sions IEM : celles qui sont conduites et celles qui sont rayon­nées. Les émis­sions conduites se pro­pagent le long des fils et des pistes qui sont re­liés au pro­duit. Puisque le bruit est lo­ca­li­sé au ni­veau d’une ter­mi­nai­son spé­ci­fique ou d’un connec­teur, la confor­mi­té en ma­tière d’émis­sions conduites peut sou­vent être as­su­rée de fa­çon re­la­ti­ve­ment pré­coce dans le pro­ces­sus de dé­ve­lop­pe­ment. Et ce grâce à une bonne im­plan­ta­tion et à un fil­trage étu­dié. In­ver­se­ment, pour les émis­sions rayon­nées, c’est une tout autre his­toire. Chaque élé­ment de la carte qui conduit un cou­rant élec­trique pro­duit un champ élec­tro­ma­gné­tique. Chaque piste du cir­cuit im­pri­mé est une an­tenne et chaque plan de cuivre un ré­so­na­teur. Tout si­gnal, autre qu’un si­gnal pu­re­ment si­nu­soï­dal ou une ten­sion conti­nue, gé­nère du bruit sur la to­ta­li­té du spectre du si­gnal. Même avec une concep­tion soi­gnée, un concep­teur d’ali­men­ta­tion ne sait ja­mais à quel point les émis­sions rayon­nées se­ront pro­blé­ma­tiques avant le test du sys­tème. Et les es­sais d’émis­sions rayon­nées ne peuvent être for­mel­le­ment ef­fec­tués tant que la concep­tion n’est pas pra­ti­que­ment ache­vée. Des filtres at­té­nuant la puis­sance à une fré­quence don­née, ou sur une plage de fré­quence, sont sou­vent mis à pro­fit pour ré­duire les IEM. L’éner­gie qui se pro­page à tra­vers l’es­pace (ra­dia­tion) est at­té­nuée en ayant re­cours à des blin­dages mé­tal- liques et ma­gné­tiques. La par­tie qui tran­site via les pistes du cir­cuit im­pri­mé (conduc­tion) est prise en charge par des perles de fer­rite et autres filtres. Si les IEM ne se­ront ja­mais to­ta­le­ment éli­mi­nées, elles peuvent ce­pen­dant être at­té­nuées jus­qu’à un ni­veau ac­cep­table par les autres com­po­sants de com­mu­ni­ca­tion et nu­mé­riques. De plus, plu­sieurs or­ga­nismes de ré­gu­la­tion im­posent des normes pour as­su­rer la confor­mi­té. Les com­po­sants au for­mat CMS qui consti­tuent les filtres d’en­trée af­fichent des per­for­mances su­pé­rieures à celles des com­po­sants à ter­mi­nai­sons tra­ver­santes. Ce­pen­dant, cette amé­lio­ra­tion est dé­pas­sée par l’élé­va­tion des fré­quences de com­mu­ta­tion de fonc­tion­ne­ment des ré­gu­la­teurs à dé­cou­page. Un ren­de­ment plus éle­vé et des faibles temps de com­mu­ta­tion se tra­duisent par un riche conte­nu har­mo­nique. À chaque dou­ble­ment de la fré­quence de com­mu­ta­tion, le ni­veau des IEM croît de 6 dB, alors que tous les autres pa­ra­mètres comme la puis­sance com­mu­tée et les temps de tran­si­tion de­meurent constants. Une IEM large bande se com­porte comme un filtre passe-haut du pre­mier ordre, avec un ni­veau d’émis­sion plus éle­vé de 20 dB si la fré­quence de com­mu­ta­tion est mul­ti­pliée par dix. Les concep­teurs de PCB avi­sés fe­ront en sorte que les boucles per­tur­ba­trices soient les plus courtes pos­sible. Ils fe­ront éga­le­ment ap­pel à des couches de blin­dage re­liées à la masse, aus­si proches que pos­sible de la couche ac­tive. Néan­moins, le bro­chage des cir­cuits, la struc­ture du boî­tier, la concep­tion ther­mique et les di­men­sions des boî­tiers re­quis pour le sto­ckage adé­quat de l’éner­gie des com­po­sants de dé­cou­plage im­posent une taille mi­ni­male de la boucle « chaude ». Pour rendre les choses en­core plus ar­dues, sur les cartes de cir­cuits im­pri­més, gé­né­ra­le­ment planes, le cou­plage ma­gné­tique ou par trans­for­ma­teur entre les pistes, au-de­là de 30 MHz, ré­dui­ra les ef­fets du fil­trage. En ef­fet, plus les fré­quences har­mo­niques sont éle­vées, plus le cou­plage ma­gné­tique in­dé­si­rable se­ra im­por­tant.

Un conver­tis­seur DC-DC à faibles ni­veaux d’IEM

En te­nant compte des contraintes dé­crites ci-des­sus, Ana­log De­vices a dé­ve­lop­pé le LT8645S, un conver­tis­seur abais­seur syn­chrone mo­no­li­thique ac­cep­tant une ten­sion éle­vée en en­trée et ca­rac­té­ri­sé par de faibles ni­veaux d’IEM. Sa plage de ten­sion d’en­trée, de 3,4 V à 65 V, fait qu’il convient aux sys­tèmes ADAS des au­to­mo­biles et des ca­mions, lorsque la ré­gu­la­tion doit être ef­fec­tive quel que soit le scé­na­rio. Ce­la

in­clut le dé­mar­rage à froid et l’ar­rêt­dé­mar­rage avec des ten­sions d’en­trée aus­si basses que 3,4 V, ain­si que les rup­tures de charge pen­dant les­quelles les ten­sions tran­sis­toires ex­cèdent 60 V. Comme l’in­dique la fi­gure 1, il s’agit d’une concep­tion mo­no­voie, apte à dé­li­vrer 8 A en sor­tie sous 5 V. Son ar­chi­tec­ture à re­dres­se­ment syn­chrone per­met d’ob­te­nir un ren­de­ment aus­si éle­vé que 94 %, à une fré­quence de dé­cou­page de 2 MHz. Pen­dant le fonc­tion­ne­ment en Burst Mode, le cou­rant de re­pos est main­te­nu en des­sous de 2,5 μA, en veille et à vide. Ce conver­tis­seur convient ain­si aux sys­tèmes connec­tés en per­ma­nence. La fré­quence de com­mu­ta­tion du LT8645S est pro­gram­mable entre 200 kHz et 2,2 MHz. Sur toute cette plage, la syn­chro­ni­sa­tion est pos­sible. L’ar­chi­tec­ture ori­gi- nale Silent Swit­cher 2 in­tègre deux conden­sa­teurs à l’en­trée, ain­si que des conden­sa­teurs au ni­veau des broches BST et INTVCC. L’en­com­bre­ment sur le cir­cuit im­pri­mé de la so­lu­tion s’en trouve ré­duit. La com­bi­nai­son de fronts de com­mu­ta­tion très bien contrô­lés et d’une struc­ture in­terne étu­diée, avec un plan de masse in­té­gral et l’uti­li­sa­tion de co­lon­nettes de cuivre à la place de fils de connexion, a pour ef­fet de ré­duire for­te­ment les IEM émises. De plus, la concep­tion Silent Swit­cher 2 au­to­rise des per­for­mances ro­bustes au ni­veau des IEM, sur n’im­porte quel cir­cuit im­pri­mé, in­cluant les PCB double face. En­fin, par rap­port aux autres conver­tis­seurs com­pa­rables, la sen­si­bi­li­té vis-àvis de l’im­plan­ta­tion sur la carte est moins forte. Ce nou­veau ni­veau de per­for­mances est dû aux conden­sa­teurs d’en­trée BST et INTVCC qui mi­ni­misent la sur­face des boucles per­tur­ba­trices. Le LT8645S re­quiert quand même deux conden­sa­teurs d’en­trée ex­ternes, mais la né­ces­si­té de les pla­cer au plus près des broches d’en­trée est moins cri­tique. Avec les conden­sa­teurs in­ternes qui contri­buent à mi­ni­mi­ser la sur­face des boucles chaudes, le plan de masse in­té­gré dans le sub­strat BT amé­liore de beau­coup les per­for­mances en termes d’IEM. Le sub­strat mul­ti­couche BT per­met éga­le­ment de conser­ver la dis­po­si­tion des broches d’E/S du boî­tier QFN, tout en au­to­ri­sant l’uti­li­sa­tion de larges pads ther­miques re­liés à la masse. Le boî­tier LQFN (la­mi­né avec em­preinte du boî­tier QFN) est plus flexible que le mo­dèle QFN tra­di­tion­nel. Par ailleurs, lors des cy­clages ther­miques de la carte, la fia­bi­li­té des joints de bra­sure est su­pé­rieure. Le LT8645S sa­tis­fait ai­sé­ment aux exi­gences re­la­tives aux li­mites crêtes des IEM, telles que dé­fi­nies par la norme CISPR 25 classe 5 de l’au­to­mo­bile, sur toute sa plage de charge ( voir fi­gure 2). La mo­du­la­tion de fré­quence par éta­le­ment de spectre est éga­le­ment pro­po­sée pour abais­ser en­core da­van­tage le ni­veau des IEM. Sur la puce du LT8645S sont in­té­grés les com­mu­ta­teurs de puis­sance, haut et bas, à fort ren­de­ment, avec la diode élé­va­trice, l’os­cil­la­teur, les cir­cuits de con­trôle et la lo­gique re­quis. Pen­dant le fonc­tion­ne­ment en Burst Mode, un ren­de­ment éle­vé est ga­ran­ti pour de faibles cou­rants de sor­tie, alors que l’on­du­la­tion de sor­tie est main­te­nue en des­sous de 10 mV­crête à crête. En­fin, le LT8645S est en­cap­su­lé dans un pe­tit boî­tier LQFN de 32 broches (4 x 6 mm), à per­for­mances ther­miques ren­for­cées.

TO­NY ARM­STRONG (ANA­LOG DE­VICES) Ti­tu­laire d’un BS en ma­thé­ma­tiques ap­pli­quées de l’Uni­ver­si­té de Man­ches­ter, To­ny Arm­strong est di­rec­teur du mar­ke­ting pro­duits chez Ana­log De­vices. Au sein de cette so­cié­té, il est ac­tuel­le­ment res­pon­sable de la ligne de pro­duits «Po­wer by Li­near ».

Le LT8645S fait ap­pel à l’ar­chi­tec­ture Silent Swit­cher 2, conçue pour mi­ni­mi­ser les émis­sions IEM, tout en per­met­tant de bé­né­fi­cier d’un ex­cellent ren­de­ment à des fré­quences de dé­cou­page éle­vées.

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