高頻汽車電源設(shè)計(jì)
對于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說式伶，電路密度的提高既是挑戰(zhàn)也是機(jī)會乐设。多數(shù)汽車電子模塊要求低壓供電晚树，如5V稚晚、3.3V崇堵。如果通過線性降壓方案將電池電壓轉(zhuǎn)換成所需電壓，會消耗過多的能量客燕。
過多的功率耗散則會提高溫度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成本鸳劳，隨著處理器和ASIC工作速度的提升，需要消耗更大功率张鸟，這就要求使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高效開關(guān)轉(zhuǎn)換器取代簡單的低成本念澜、低效率線性電源。
開關(guān)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢
工作在高開關(guān)頻率的電源允許選用小尺寸有源元件牌度，如電感禾样、電容，由此可見揖蜒，開關(guān)電路的尺寸取決于電源工作頻率怨瑰。一個高效轉(zhuǎn)換器不僅能夠降低功耗，還可以節(jié)省空間和昂貴的散熱器升诡。因此惨琼，使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以使電源模塊的總尺寸減小∫澈考慮到這些優(yōu)點(diǎn)涧馋，開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為車身控制、信息系統(tǒng)庭四、引擎控制電路的理想電源管理方案沪识。
開關(guān)轉(zhuǎn)換器的選擇
開關(guān)頻率對于開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)殚_關(guān)電源的很多問題都與工作頻率有關(guān)娱局。開關(guān)頻率和它的高次諧波會對其他電路產(chǎn)生電磁干擾，例如，一個調(diào)幅收音機(jī)對于530kHz~1,710kHz的干擾非常敏感衰齐。開關(guān)頻率超過1,710kHz時才能消除基波和高次諧波的干擾任斋。測試數(shù)據(jù)顯示，中等電壓耻涛、高頻處理器配合簡單的保護(hù)電路废酷，正如Maxim產(chǎn)品所采用的架構(gòu)，可以提供完美的汽車電源管理方案抹缕。所以澈蟆，設(shè)計(jì)人員不需要高壓控制方案即可設(shè)計(jì)合理的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
隨著開關(guān)頻率的增加卓研，電路的能量損耗會增大趴俘，這在一定程度上削弱了高頻工作的優(yōu)勢。因?yàn)殚_關(guān)的損耗與工作電壓的平方成正比奏赘，在高輸入電壓下開關(guān)損耗會更高寥闪。典型的汽車電源管理IC需要支持較高電壓(40V或更高)，以承受甩負(fù)載和瞬態(tài)過壓钮药。處理高壓則需較大的芯片尺寸和較厚的柵極椭梁，對應(yīng)的溝道尺寸較長，造成較長的傳輸延時尺果。這樣捻奉，固有的低速處理過程也降低了轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)殚_關(guān)切換時較長的上升/下降時間會引起較大的開關(guān)損耗捌秩。
Maxim采用先進(jìn)的處理工藝提高了轉(zhuǎn)換器的開關(guān)效率九站，為中等電壓提供出色的高速轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案。以MAX5073為例裁甘，它有2路工作在2.2MHz開關(guān)頻率的升/降壓轉(zhuǎn)換控制器艰膀，支持23V輸入。轉(zhuǎn)換器異相工作使其能夠工作在4.4MHz頻率下区蛹，并保持較高的轉(zhuǎn)換效率辫田。
假設(shè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠抑制電源干擾，需要考慮的另一個問題是：汽車應(yīng)用是否真的需要高壓工作IC下面我們通過討論汽車電源的干擾以及對低壓電路的保護(hù)措施回答上述問題艺挽。
電源的過壓條件
過壓保護(hù)(OV)器件能夠隔離汽車電子系統(tǒng)中連線(通常連接到主電源)所產(chǎn)生的高壓傳導(dǎo)嚎论，有效保護(hù)電子電路。對傳導(dǎo)干擾的承受能力稱為傳導(dǎo)抑制麦撵。
汽車制造商和標(biāo)準(zhǔn)組織定義了各種測試方法來評估電路的傳導(dǎo)抑制刽肠，汽車OEM廠商的要求大多出自ISO7637標(biāo)準(zhǔn)。以下歸納了與汽車電子應(yīng)用相關(guān)的過壓保護(hù)問題免胃，但并未全面概括所有與傳導(dǎo)干擾相關(guān)的細(xì)節(jié).
穩(wěn)態(tài)過壓保護(hù)
持續(xù)時間較長的過壓條件被看作穩(wěn)態(tài)過壓音五，例如惫撰，過壓持續(xù)時間超過了對應(yīng)器件的熱時間常數(shù)。這種情況下躺涝，連續(xù)的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問題厨钻，穩(wěn)態(tài)過壓通常包括以下幾種情況：失效的交流電機(jī)調(diào)節(jié)器、雙電池突發(fā)啟動或和電池反接坚嗜，以下是各項(xiàng)詳細(xì)說明夯膀。
1. 失效交流電機(jī)調(diào)節(jié)
調(diào)節(jié)交流電機(jī)的輸出，通過控制勵磁繞組的電流幅度調(diào)整速度苍蔬、負(fù)荷及溫度诱建。調(diào)節(jié)過程通常由電路(電壓調(diào)節(jié)器)完成，利用脈寬調(diào)制(PWM)電機(jī)的勵磁繞組保持穩(wěn)定的電機(jī)輸出碟绑。電壓調(diào)節(jié)器的典型輸出設(shè)置為13.5V武骆。然而，電壓調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)失效螺喂，無論負(fù)載或輸出電壓處于何種條件侦需，都將作用一個滿量程勵磁電流。
發(fā)生失效時范咖，整個系統(tǒng)都要承受高于13.5V(實(shí)際電壓取決于汽車速度坊蕴、負(fù)荷極其他條件)的電壓，典型的調(diào)節(jié)器失效OEM測試要求是在18V持續(xù)一個小時鳄盗。大部分系統(tǒng)要求符合這個測試條件扫觅，雖然有些舒適度和便利功能允許在這種情況下偏離其正常工作狀態(tài)。
2. 雙電池突發(fā)啟動
這是另外一種穩(wěn)態(tài)過壓條件送写，一般發(fā)生在拖車或維修人員使用24V電原發(fā)動不工作的汽車硅枷，或?qū)ν耆烹姷碾姵剡M(jìn)行充電的情況下，對于這種情況婉劲，典型的OEM測試要求是在24V下持續(xù)2分鐘太迈。有些與安全、引擎管理相關(guān)的系統(tǒng)需要保證在這種條件下能夠工作便锨。
3. 電池反接
在生產(chǎn)和維修過程中可能會出現(xiàn)電池反接情況围辙，這時，要求大多數(shù)系統(tǒng)可以不工作放案，但一定要保證不會損壞姚建。典型測試要求是在-14V下持續(xù)一分鐘，這個測試對系統(tǒng)來說是個挑戰(zhàn)吱殉，因?yàn)樾枰箅娏骰虻蛪航怠?/font>
瞬態(tài)過壓保護(hù)
汽車系統(tǒng)中掸冤，大多數(shù)過壓條件都是由感性負(fù)載的開關(guān)操作引起的瞬態(tài)過壓，這類負(fù)載包括啟動電機(jī)友雳、燃油泵稿湿、車窗電機(jī)铅匹、繼電器線圈、螺線管饺藤、點(diǎn)火器件和分布電感等伊群。任何感性負(fù)載上的脈沖電流都會產(chǎn)生過壓脈沖。根據(jù)幅度策精、持續(xù)時間的要求，可以選擇濾波器崇棠、金屬氧化物可變電阻求旷、瞬態(tài)電壓抑制器等抑制這類瞬態(tài)過壓。圖1至圖4說明了ISO7637對過壓抑制的要求燎匪，表1是對ISO7637規(guī)定的總結(jié)赊手。
如上所述，電池電壓不能直接供給低電壓购畴、高性能開關(guān)轉(zhuǎn)換器猫乃，而是將電池連接到瞬態(tài)電壓抑制起，如MOV或旁路電容及其后續(xù)的傳統(tǒng)限幅電路铣才。這些簡單電路一般采用p溝道MOSFET構(gòu)成(圖5a)责祥。p溝道MOSFET的額定電壓為50~100V，具體取決于VBAT輸入端的瞬態(tài)電壓旱樊。
利用12V齊納二極管(Z1)保護(hù)MOSFET的柵-源極壳坞，防止柵-源電壓超過VGSMAX，當(dāng)輸入電壓(VBAT)低于齊納管Z2的擊穿電壓時述茂，MOSFET處于飽和狀態(tài)搂瓣。輸入電壓發(fā)生瞬變時，MOSFET將阻止高于Z2擊穿電壓的電壓通過雇寇。這個電路的缺點(diǎn)是使用了一個昂貴的p溝道MOSFET和許多外圍元件氢拥。
另一方案是使用NPN晶體管，NPN管的基極電壓嵌位在VZ3锨侯，將發(fā)射極電壓調(diào)整在(VZ3-VBE)嫩海。這個方案成本較低，但VBE壓降產(chǎn)生一定的損耗：PLOSS=IIN×VBE识腿。另外出革，VBE壓降也增加對電池最小工作電壓的要求，尤其是在冷啟動情況(圖5b)渡讼。第三個方案是使用n溝道MOSFET骂束，n溝道MOSFET的選擇范圍較廣，而且便宜成箫，可以作為隔離元件使用展箱。其柵極驅(qū)動比較復(fù)雜旨枯，要求VG高于源極電壓。
圖5c給出了一個使用n溝道MOSFET開關(guān)的隔離電路混驰，甩負(fù)載情況下攀隔，當(dāng)VBAT電壓超過設(shè)置門限時，MOSFET完全關(guān)閉捣柿。隨后嚎区，只要VBAT電壓高于設(shè)置門限，MOSFET將一直保持關(guān)閉狀態(tài)疚都。過壓保護(hù)控制器MAX6398可以汽車過壓(如甩負(fù)載或雙電池供電)時蝶桑，控制n溝道MOSFET，保護(hù)高性能電源哥笤，圖6給出了方案的原理框圖窄切。圖7至圖9給出了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際工作環(huán)境下的噪聲抑制測試結(jié)果，所采用的是n溝道MOSFET瞬態(tài)保護(hù)電路协悼。
圖7的MAX5073雙buck轉(zhuǎn)換器的輸入紋波炫胡、開關(guān)波形測試結(jié)果，轉(zhuǎn)換器分別工作在2.2MHz開關(guān)頻率残昔，輸入電容紋波的的頻率為4.4MHz(CH1=第2路時鐘源狗城；CH2=第1路時鐘源；CH3=輸入電容紋波眯穴；CH4=時鐘輸出)笆抱。
圖中波形為圖6所示保護(hù)器輸出和兩路轉(zhuǎn)換器輸出的響應(yīng)特性，時間刻度分別為1s/cm(A)和1ms/cm(B)砾脑。(CH1=VBAT幼驶；CH2=VPROT；CH3=第1路輸出韧衣；CH4=第2路輸出)
圖中波形為保護(hù)器輸出和兩路轉(zhuǎn)換器輸出的響應(yīng)特性盅藻，時間刻度分別為1s/cm(A)和200μs/cm(B)。(CH1=VBAT畅铭；CH2=VPROT氏淑；CH3=第1路輸出；CH4=第2路輸出)
如圖9所述硕噩，MAX6398功能模塊完全支持汽車應(yīng)用中的甩負(fù)載設(shè)計(jì)假残，提供低電壓、高性能輸出炉擅。利用保護(hù)電路辉懒、低電壓、高頻工作特性可有效節(jié)省電路板空間谍失、降低成本眶俩。
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