基于LTC3789的多功能車載電源模塊設(shè)計(jì)

1、車載電源模塊的應(yīng)用要求和技術(shù)指標(biāo)

1.1、電源模塊的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《GB/T28046道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)和IS07637浪涌標(biāo)準(zhǔn)，車載電源模塊要具備如下功能：抵御87V和174V4歐姆350ms浪涌，具備防反接功能。同時(shí)為了兼容12V和24V車載電源、應(yīng)付電瓶饋電情況、并保護(hù)負(fù)載，該電源模塊增加了輸出過流保護(hù)功能，輸入電壓范圍6.0V-38.0V，輸出可調(diào)電壓范圍5V-24V，負(fù)載50W，幾乎滿足所有直流供電的車載電子設(shè)備的需求。

2、車載電源模塊的電路原理

2.1、防浪涌

圖1為典型的汽車啟動(dòng)時(shí)的電壓變化瞬態(tài)圖，它反映出車載電源在車輛啟動(dòng)時(shí)非常不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)6.0V低壓、浪涌、饋電反向尖峰等情況。具體的量化指標(biāo)圖下圖所示。

圖1 典型的車載電源瞬態(tài)變化圖

圖2 車載電源浪涌波形

表1 12V與24V車載浪涌指標(biāo)表

為了抵御浪涌對(duì)電源模塊的損害，常采用TVS管消除浪涌尖峰的做法。合適的TVS管可以達(dá)到消除有害尖峰的目的。

圖3 浪涌抑制示意圖

2.2、防反接

汽車電源電路，必須做防反接保護(hù)，預(yù)防輸入端接錯(cuò)正負(fù)極導(dǎo)致電池短路，甚至?xí)龤щ娫?、起火。最?jiǎn)單的防反接方法是串聯(lián)一個(gè)二極管，但是二極管先天的壓降0.3V-0.7V，會(huì)造成過多的不必要損耗，當(dāng)負(fù)載為2A時(shí)，二極管自身?yè)p耗就會(huì)達(dá)到1W左右。

既要滿足IS07637一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車載電源的防反接要求，又要降低能量的損耗，使用MOS管成為一種很好的選擇。

圖4 防反接典型電路示意圖

2.3、升降壓和限流保護(hù)

直流電源電壓變換，主要分為DC-DC變換即開關(guān)電源變換、充電泵式電源變換和LDO直流穩(wěn)壓變換。LDO完全以后穩(wěn)壓芯片的自身消耗來降低輸出電壓，無法做升壓變換，而且因?yàn)樽陨頁(yè)p耗較大，不合適輸入和輸出壓差較大的情況;充電泵式電源變換是依靠電容的充放電來實(shí)現(xiàn)電壓變換，但是輸入電壓范圍較小，輸出電流也非常有限;DC-DC變換是比較適合的選擇。

DC-DC的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

(1)Buck電路一一降壓斬波器，其輸出平均電壓UO小于輸入電壓Ui，極性相同。

(2)Boost電路一一升壓斬波器，其輸出平均電壓UO大于輸入電壓Ui，極性相同。

(3)Buck-Boost電路一一降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓UO大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

Buck變換：降壓式變換，輸出電壓低于輸入電壓。

Boost變換：升壓式變換，輸出電壓高于輸入電壓。

圖7 Buck-Boost電路示意圖

Buck-Boost變換：升一降壓式變換

任何一種電源都有可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致負(fù)載短路，電源因?yàn)檫^大的負(fù)載電流而損壞。為了防止這種毀滅性的故障，常采用負(fù)載輸出端串聯(lián)保險(xiǎn)管的方法。不過這種方案需要將保險(xiǎn)管燒壞，重新更換新的保險(xiǎn)管才能修復(fù)，比較麻煩，尤其是使用過程中不方便打開電路的外殼。

3、模塊的硬件設(shè)計(jì)

該多功能車載電源模塊的硬件組成分為防反接模塊、防浪涌模塊、電源變換模塊、限流保護(hù)模塊，如框圖所示。

3.1、防反接功能

該模塊選擇P-MOS管和齊納二極管搭建的防反接電路。P-MOS管選用SI7461DP，工作溫度滿足一550C}1500C的P-Channel60-V(D-S)MOSFET，其性能參數(shù)如下表所示。

表2 SI7461DP基本參數(shù)表

齊納二極管采用仙童公司的工N5259是Vz=39V，Tc=0.094%/0C，工作溫度滿足一650C“2000C。

當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，Vgs《0，P-MOS打開，而且IN5929起到保護(hù)SI7461DP的作用。

3.2、升降壓功能和限流功能

該模塊的升降壓電源轉(zhuǎn)換功能采用凌特電子的LTC3789芯片，是新研發(fā)出的高效率高性能升降壓式開關(guān)穩(wěn)壓控制器，其輸入電壓可以從4V}38V，輸出電壓可以高于輸入電壓，可以低于輸入電壓為0.8V}38V，工作頻率恒定，最高可達(dá)600KHz(200}600KHz)。為電流模式工作。輸出電流反饋環(huán)提供對(duì)電池充電的支持，滿足輸入輸出4V}38V的寬范圍，而且輸出電流可以達(dá)到5A。在工作區(qū)域有很低的噪聲，LTC3789系目前最理想的可升降壓的電池供電系統(tǒng)應(yīng)用IC。

該電路通過調(diào)節(jié)VFB所連接的電阻，即可改變Vout的值。

圖12 LTC3789電源轉(zhuǎn)換電路

vout=0.8V.(1+R2/R1)(1)

LTC3789具備輸入電流和輸出電流限流保護(hù)功能，以保護(hù)輸入電源和芯片自身，電路如下圖所示。

Rsense=90mV/Iout(max)(2)

因此，如果要限制輸出電流為4.5A，則Rsense=20m歐

4、輸出效率和紋波

該電源模塊寬輸入電壓范圍6V}38V，寬輸出電壓范圍5V}24V，作為使用Buck-Boost拓?fù)湫史浅８叩腖TC3789芯片搭建的電源轉(zhuǎn)換電路，其輸出效率和紋波指數(shù)都是核心技術(shù)指標(biāo)，輸出電壓為12.0V，負(fù)載為50W的10歐姆功率電阻時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果如下表。

從表5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該模塊效率在Boost模式最低為89.72%，而Buck模式最低也達(dá)到了95.14%，綜合來看轉(zhuǎn)換效率非常高。而紋波始終控制在250mV以內(nèi)，足以滿足車載電源的需求。

5、總結(jié)

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的車載電源模塊具有防浪涌、防反接、輸出過流保護(hù)、寬輸入電壓范圍(6.0V-38.0V)、輸出電壓可調(diào)(5V-24V)、高輸出功率50W、兼容12V和24V車載電源系統(tǒng)等功能，滿足GB/T2804和IS07363的基本要求，在車載電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。