高頻汽車電源設(shè)計(jì)

　　概述

　　對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，電路密度的提高既是挑戰(zhàn)也是機(jī)會(huì)。多數(shù)汽車電子模塊要求低壓供電，如5V、3.3V。如果通過(guò)線性降壓方案將電池電壓轉(zhuǎn)換成所需電壓，會(huì)消耗過(guò)多的能量。過(guò)多的功率耗散則會(huì)提高溫度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成本，隨著處理器和ASIC工作速度的提升，需要消耗更大功率，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(jiǎn)單的低成本、低效率線性電源。

　　開關(guān)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

　　工作在高開關(guān)頻率的電源允許選用小尺寸有源元件，如電感、電容，由此可見，開關(guān)電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個(gè)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。因此，使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以使電源模塊的總尺寸減小。考慮到這些優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為車身控制、信息系統(tǒng)、引擎控制電路的理想電源管理方案。

　　開關(guān)轉(zhuǎn)換器的選擇

　　開關(guān)頻率對(duì)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(wèn)題都與工作頻率有關(guān)。開關(guān)頻率和它的高次諧波會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生電磁干擾，例如，一個(gè)調(diào)幅收音機(jī)對(duì)于530kHz到1710kHz的干擾非常敏感。開關(guān)頻率超過(guò)1710kHz時(shí)才能消除基波和高次諧波的干擾。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，中等電壓、高頻處理器配合簡(jiǎn)單的保護(hù)電路，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。所以，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，電路的能量損耗會(huì)增大，這在一定程度上削弱了高頻工作的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殚_關(guān)的損耗與工作電壓的平方成正比，在高輸入電壓下開關(guān)損耗會(huì)更高。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(guò)壓。處理高壓則需較大的芯片尺寸和較厚的柵極，對(duì)應(yīng)的溝道尺寸較長(zhǎng)，造成較長(zhǎng)的傳輸延時(shí)。這樣，固有的低速處理過(guò)程也降低了轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)殚_關(guān)切換時(shí)較長(zhǎng)的上升/下降時(shí)間會(huì)引起較大的開關(guān)損耗。

　　Maxim采用先進(jìn)的處理工藝提高了轉(zhuǎn)換器的開關(guān)效率，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，它有2路工作在2.2MHz開關(guān)頻率的升/降壓轉(zhuǎn)換控制器，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，并保持較高的轉(zhuǎn)換效率。

　　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(gè)問(wèn)題是：汽車應(yīng)用是否真的需要高壓工作IC？下面我們通過(guò)討論汽車電源的

　　干擾以及對(duì)低壓電路的保護(hù)措施回答上述問(wèn)題。

　　電源的過(guò)壓條件

　　過(guò)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)，有效保護(hù)電子電路。對(duì)傳導(dǎo)干擾的承受能力稱為傳導(dǎo)抑制。

　　汽車制造商和標(biāo)準(zhǔn)組織定義了各種測(cè)試方法來(lái)評(píng)估電路的傳導(dǎo)抑制，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(guò)壓保護(hù)問(wèn)題，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(guò)壓保護(hù)

　　持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)壓條件被看作穩(wěn)態(tài)過(guò)壓，例如，過(guò)壓持續(xù)時(shí)間超過(guò)了對(duì)應(yīng)器件的熱時(shí)間常數(shù)。這種情況下，連續(xù)的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問(wèn)題，穩(wěn)態(tài)過(guò)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(dòng)或和電池反接，以下是各項(xiàng)詳細(xì)說(shuō)明。

　　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(guò)控制勵(lì)磁繞組的電流幅度調(diào)整速度、負(fù)荷及溫度。調(diào)節(jié)過(guò)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(lì)磁繞組保持穩(wěn)定的電機(jī)輸出。電壓調(diào)節(jié)器的典型輸出設(shè)置為13.5V。然而，電壓調(diào)節(jié)器會(huì)出現(xiàn)失效，無(wú)論負(fù)載或輸出電壓處于何種條件，都將作用一個(gè)滿量程勵(lì)磁電流。

　　發(fā)生失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都要承受高于13.5V (實(shí)際電壓取決于汽車速度、負(fù)荷極其他條件)的電壓，典型的調(diào)節(jié)器失效OEM測(cè)試要求是在18V持續(xù)一個(gè)小時(shí)。大部分系統(tǒng)要求符合這個(gè)測(cè)試條件，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)。

　　雙電池突發(fā)啟動(dòng)，這是另外一種穩(wěn)態(tài)過(guò)壓條件，一般發(fā)生在拖車或維修人員使用24V電原發(fā)動(dòng)不工作的汽車，或?qū)ν耆烹姷碾姵剡M(jìn)行充電的情況下，對(duì)于這種情況，典型的 OEM測(cè)試要求是在24V下持續(xù)2分鐘。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。

　　電池反接，在生產(chǎn)和維修過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)電池反接情況，這時(shí)，要求大多數(shù)系統(tǒng)可以不工作，但一定要保證不會(huì)損壞。典型測(cè)試要求是在-14V下持續(xù)一分鐘，這個(gè)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰箅娏骰虻蛪航怠?/p>