如何使用高可靠性電感確保汽車安全

先進駕駛輔助系統 (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，會依據多個感測器的輸入做出關鍵決策。這些處理器通常在各種低電壓位準下運作，可能消耗數十安培 (A) 的電流。

電源管理積體電路 (PMIC) 為處理器提供多種電壓，但需要高可靠性電感以確保電源穩定。這些電感必須能夠在高達 10 MHz 的電源切換頻率下處理大電流，並保持低功率損耗。此外，還需要具備高體積效率、小印刷電路板佔用空間和薄型等特點。與自動駕駛系統中的所有組件相同，必須滿足汽車產業要求的嚴格可靠性和安全標準，例如 AEC-Q200。

本文簡要介紹 ADAS/ADS 的處理要求。然後介紹 TDK 專門為此應用設計的電感，並展示其獨特特性如何有助於確保汽車設計穩健且安全。

自駕系統

典型的 ADAS/ADS 使用與多個感測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 的處理器需高電流位準的可靠低壓電源，此電源由 PMIC 提供，以便依據感測器輸入控制車輛。(圖片來源：EPCOS-TDK)

這些處理器的電源軌電壓通常較低，約為 1 V，但電流位準可能達到數十安培，為 PMIC 帶來壓力。圖 1 中的二次轉換器使用 8 個功率電感和 PMIC 為處理器供電。

功率電感是在其電磁場中儲存能量的被動元件，廣泛應用於電源供應器電路和 DC/DC 轉換器中。功率電感搭配 PMIC 作為降壓轉換器，是影響功率轉換過程效能的關鍵組件 (圖 2)。

圖 2：單一降壓轉換器的簡化線路圖凸顯功率電感的作用。(圖片來源：EPCOS-TDK)

降壓轉換器產生低於輸入電壓的輸出電壓。在降壓轉換器中，輸入電壓源 (V_IN) 串聯一個開關。輸入源通過開關和低通濾波器饋送至輸出。此濾波器由一個功率電感和一個輸出電容組成。在穩態操作下，當開關導通時間為 T_ON 時，輸入驅動輸出以及功率電感。在 T_ON 期間，V_IN 和輸出電壓 (V_OUT) 之間的電壓位準差正向施加到電感，如「開啟 (switch on)」箭頭所示。電感電流 (I_L) 線性上升至 I_peak。

當開關關閉 (T_OFF) 時，由於電感儲存的能量繼續透過換向二極體向負載供應電流，電感電流繼續沿同一方向流動，如「關閉 (switch off)」箭頭所示。在 T_OFF 期間，反向施加輸出電壓 V_OUT 至電感，且電感電流從 I_peak 值開始減小，這會產生三角漣波電流。漣波電流的大小與功率電感的電感值有關。電感值通常設置為導致漣波電流為額定輸出電流的 20 至 30%。輸出電壓與開關的工作週期成比例。

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，以便對輸出電容充電。功率電感的值會影響轉換器的暫態響應：較小的電感值會縮短恢復時間，較大的值會拉長恢復時間。

在車輛環境中，這些電感必須滿足極高的電氣和機械標準，其中最重要的是高可靠性。車輛內被動元件的可靠性和品質需符合汽車電子委員會 (AEC) 制定的標準。被動元件須符合 AEC-Q200 標準，這是所有被動電子元件用於汽車產業時必須滿足的全球耐壓標準。測試項目包括耐衝擊、振動、濕度、溶劑、焊接熱、板彎曲和靜電放電 (ESD)，以及 -40°C 至 +125°C 的溫度測試，並暴露於極端溫度和熱循環。

汽車應用中，電感的尺寸必須緊湊，並且能夠在預期的汽車溫度範圍內運作。若要在汽車溫度範圍內，需低串聯電阻值，才能將功率損耗和溫升降至最低。電感還必須要在 PMIC 常用的 2 至 10 MHz 電源切換頻率範圍內作業，並且能處理可能出現的高飽和電流的高暫態負載。

專為汽車設計的功率電感

EPCOS-TDKa 的 CLT32 系列功率電感專為 ADAS/ADS 應用所設計，具有高可靠性、高額定電流、低串聯電阻值、高飽和電流，以及小尺寸 (圖 3)。

圖 3：TDK 的 CLT32 系列功率電感是單體線圈／端子結構，並採用厚銅繞組，無內部連接。磁性模製材料確保軟飽和特性。(圖片來源：EPCOS-TDK)

CLT32 功率電感是以厚銅線圈繞組單體組成，具有整合式端子結構，因此不會有不可靠的內部連接。厚銅線圈還可將串聯電阻值保持在低至 0.39 mΩ，將功率損耗降至最低。較低的電阻值在有負載時產生的熱量較低。

此線圈採用最新開發的鐵磁塑膠化合物包覆成型，形成線圈的磁芯和外罩。磁芯材料即使在高溫和高頻應用中，也能保有出色的電氣特性。特別值得注意的是磁芯的低損耗。此外，此材料能夠在低壓和低溫下加工，將生產時線圈上的應力降至最低。

相較於替代鐵氧體材料，此磁芯材料具有軟飽和特性。磁飽和導致的電感值變化為飽和漂移，以電感值變化的百分比表示 (圖 4)。

圖 4：CLT32 磁芯針對磁飽和，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。提供高達 60 A 的最大飽和電流。

整個電感納入 3.2 x 2.5 x 2.5 mm 的薄型封裝中。具有高體積效率，因此可以使用多個電感，而無需將設計移至更大的印刷電路板。電感的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +165°C。此溫度範圍超出上述 AEC-Q200 最高測試溫度 125°C 的要求。

TDK 的 CLT32 功率電感的電感值範圍為 17 至 440 nH，如表 1 所示。

表 1：TDK 的 CLT32 功率電感的指定特性及其對應訂購代碼。所有產品均採用相同的 3.2 x 2.5 x 2.5 x 2.5 mm 薄型封裝。(表格來源：EPCOS-TDK)

參見表格，R_DC 是電感的串聯電阻值。請注意，由於較高的電感所需的匝數較多，因此會隨電感值增加。I_SAT 是由於飽和導致電感值減小的飽和電流，會隨電感值增加而減小。I_temp 是最大額定電流，其值基於封裝中的溫升。I_temp 也會隨電感值增加而減小。

功率電感中的損耗包括與線圈的串聯電阻值成比例的直流損耗，以及由於集膚效應、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。

CLT32 電感相較於薄膜或金屬複合電感等替代技術，其漣波電流功率損耗更低 (圖 5)。

圖 5：CLT32 功率電感比薄膜或金屬複合電感技術具有更低的漣波電流功率損耗。(圖片來源：EPCOS-TDK)

低交流漣波損耗代表可以耐受更高的漣波電流，進而允許 DC/DC 轉換器中的電容值更低。

與其他電感類型相比，更低的損耗也代表有更高的效率 (圖 6)。

圖 6：單輸出降壓轉換器中功率電感的效能比較，顯示 CLT32 功率電感的效率較高。(圖片來源：EPCOS-TDK)

在輕負載下，磁芯損耗決定功率電感的效率。較高的負載會因電阻性損耗而降低效率。在所有情況下，CLT32 功率電感都優於替代技術。

結論

TDK 的 CLT32 系列功率電感採用創新設計理念，相較於競爭技術，具有更小尺寸和更佳電氣效能，同時確保更高的可靠性。具備寬廣的溫度範圍和頻率範圍，成為新一代 ADAS/ADS 設計的理想組件。