適用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)的創(chuàng)新性電源解決方案

交通運(yùn)輸系統(tǒng)需求

交通運(yùn)輸系統(tǒng)的輸入電壓可能高達(dá)14V(單電池供電汽車)、28V(雙電池供電卡車、客車和飛機(jī))、或更高電壓，而其數(shù)字系統(tǒng)需要一個(gè)或更多個(gè)低壓軌。因此，設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)時(shí)，需要了解怎樣才能簡便、高效和可靠地從很高的輸入電壓降壓。以下圖1顯示，汽車環(huán)境中的輸入電壓可能視其運(yùn)行狀態(tài)的改變而改變，而其運(yùn)行狀態(tài)可能包括負(fù)載突降變化到冷車發(fā)動的各種情況，甚至出現(xiàn)電池反向連接。

圖1：典型的汽車瞬態(tài)情況

NOMINAL14V：標(biāo)稱14V

120VLOADDUMP：120V負(fù)載突降

6VCRANK：6V冷車發(fā)動

85VNOISE：85V噪聲

24VJUMPSTART：24V猛然起動

REVERSEBATTERY：電池反向連接

當(dāng)應(yīng)用要求以非常高的效率進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，以最大限度減少轉(zhuǎn)換過程中由功率損耗導(dǎo)致的熱量時(shí)，采用開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案是有幫助的。開關(guān)穩(wěn)壓器本質(zhì)上是單片器件，片內(nèi)集成了MOSFET，采用了同步或非同步配置。或者，開關(guān)穩(wěn)壓器也可以由一個(gè)開關(guān)控制器組成，該控制器驅(qū)動采用單級或多級拓?fù)?多相)的外部MOSFET，以提供數(shù)十安培至數(shù)百安培級的功率。為了滿足如此大的功率范圍要求，公司提供了廣泛的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，以使用戶能夠按照最終系統(tǒng)所需的特定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適用的器件。相應(yīng)地，我們的開關(guān)穩(wěn)壓器有非常寬的輸入電壓范圍(從5V直至150V)，輸出功率級從數(shù)百毫安直至高于1,000A。

這種開關(guān)穩(wěn)壓器的一個(gè)例子是LTC3895，該器件是一個(gè)具有150V輸入的同步降壓型轉(zhuǎn)換器，可配置為多相運(yùn)行，如圖2所示。

圖2：LTC3895原理圖以及效率隨功率損耗變化的曲線

VOUTFOLLOWSVINWHENVIN<12V：VIN<12V時(shí)，VOUT跟隨VIN

EFFICIENCY：效率

POWERLOSS：功率損耗

LOADCURRENT：負(fù)載電流

在任何交通運(yùn)輸系統(tǒng)中都有一個(gè)常見問題：怎樣才能在不影響性能和轉(zhuǎn)換效率的前提下，獲得高降壓比和占板面積緊湊的解決方案?直到不久前，依然沒有一款解決方案能夠在不犧牲其他性能的情況下達(dá)到所有關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)。不過，隨著公司單片、2MHz以上、同步降壓型轉(zhuǎn)換器LT86xx系列的推出，所有必要的性能標(biāo)準(zhǔn)都可以立即得到滿足了。

一個(gè)很好的例子是LT8609，這是一款2A、42V輸入同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。獨(dú)特的同步整流拓?fù)涮峁?3%的效率，而以2MHz頻率切換使設(shè)計(jì)師能夠避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段，例如AM無線電，同時(shí)可提供占板面積非常緊湊的解決方案。突發(fā)模式(BurstMode?)運(yùn)行在無負(fù)載備用情況下保持靜態(tài)電流低于2.5μA，從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。LT8609的3.0V至42V輸入電壓范圍使其非常適合汽車應(yīng)用，這類應(yīng)用必須以低至3.0V的最低輸入電壓穩(wěn)定通過冷車發(fā)動和停-啟情況，并穩(wěn)定通過超過40V的負(fù)載瞬態(tài)。其內(nèi)部3.5A開關(guān)可在峰值負(fù)載電流為3A時(shí)，提供高達(dá)2A的連續(xù)輸出電流。原理圖和相應(yīng)于2MHz切換頻率的效率曲線如圖3所示。

圖3：LT8609原理圖和效率曲線

由于在單電池或雙電池供電車輛中，冷車發(fā)動和負(fù)載突降情況很常見，所以很多交通運(yùn)輸系統(tǒng)都提供很寬的輸入電壓范圍。而且使情況更加復(fù)雜的是，所需輸出電壓有可能超出這種已經(jīng)很寬的輸入電壓范圍。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的復(fù)雜問題是，無論輸入電壓是高于、低于還是等于輸出電壓，所設(shè)計(jì)的解決方案都必須允許固定輸出。

解決這種問題的常見方法是采用SEPIC拓?fù)滢D(zhuǎn)換器。不過這種轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，需要兩個(gè)電感器，而且通?？臻g利用率和轉(zhuǎn)換效率都不高。因此，公司設(shè)計(jì)了廣泛的4開關(guān)降壓-升壓型控制器，這些控制器不僅簡化了設(shè)計(jì)，還提供很高的空間利用率和轉(zhuǎn)換效率，功率損耗在5%至7%之間(視輸入至輸出電壓范圍而定)。圖4所示LT8705是一個(gè)4V至80V輸入的降壓-升壓型控制器例子，該器件提供車輛環(huán)境中常見的一個(gè)固定12V輸出。

圖4：詳細(xì)的LT8705原理圖，從4V至80V輸入提供固定12V輸出

INCREASEDVOUTRIPPLEFORVIN>60V：VIN>60V時(shí)，VOUT紋波增大

解決汽車?yán)滠嚢l(fā)動問題的另一種方法是，采用升壓型轉(zhuǎn)換器，后面再跟一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器。在這種拓?fù)渲?，從單電池提供的升壓型轉(zhuǎn)換器之輸出設(shè)定為比電池的標(biāo)稱電壓高出幾伏，然后再用一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器對其降壓，使其達(dá)到下游電子組件所需的工作電壓。盡管這種方法需要兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，但是ADI公司已經(jīng)開發(fā)出一款整合了升壓型控制器和降壓型控制器的器件，兩個(gè)控制器既可獨(dú)立使用，又可作為升壓-降壓跟隨器使用。圖5中用LTC7813說明這種器件的工作原理。

圖5：LTC7813原理圖~~一個(gè)級聯(lián)的升壓及降壓型單輸出控制器IC

8VTO60VDOWNTO2.2VAFTERSTART-UP：8V至60V，啟動后降至2.2V

低噪聲電源管理

電磁輻射(EMR)、電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)這些術(shù)語與帶電粒子及有關(guān)磁場的能量有關(guān)，這種能量有可能影響電路性能和干擾信號傳輸。隨著無線通信的普及、大量通信設(shè)備的涌現(xiàn)以及通信方法日益增多、占用越來越多的頻譜(有些頻段是相互重疊的)，電磁干擾已經(jīng)成為揮之不去的事實(shí)。為了減輕電磁干擾的影響，很多政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都設(shè)定了通信設(shè)備及儀器儀表的電磁輻射限度。

因此，很顯然的是，低輻射是很多汽車和交通運(yùn)輸設(shè)備制造商的關(guān)鍵要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師怎樣才能滿足汽車CISPR25、Class5(圖6所示)的嚴(yán)格要求，同時(shí)仍然保持高效率和很小的解決方案尺寸呢?

圖6a：LT8614的輻射值遠(yuǎn)低于CISPR25、Class5限制

AMPLITUDE：幅度

VERTICALPOLARIZATION：垂直極化

PEAKDETECTOR：峰值檢測器

CLASS5PEAKLIMIT：Class5峰值限制

FIXEDFREQUENCYMODE：固定頻率模式

SPREADSPECTRUMMODE：擴(kuò)展頻譜模式

FREQUENCY：頻率

圖6b：采用SilentSwitcher拓?fù)涞腖T8614

一種答案也許是采用ADI的SilentSwitcher?系列器件。以LT8614為例，這是一款42V輸入、4A輸出、單片降壓型轉(zhuǎn)換器，以高于2MHz的開關(guān)頻率和94%的轉(zhuǎn)換效率切換，由于其很短的30ns最短接通時(shí)間，因此可滿足16V輸入至1.8V輸出降壓比。此外，由于采用了已獲專利的SilentSwitcher技術(shù)，所以該器件可超越CISPR25和CISPR22ClassB輻射要求，如圖7所示。

圖7：LT8614滿足CISPR22和CISPR25要求

NOISEFLOOR：噪聲層

FREQUENCY：頻率

RADIATEDNOISELEVEL：輻射噪聲值

CISPR22RADIATEDCLASSBLIMITS：CISPR22ClassB輻射限制

低靜態(tài)電流也是關(guān)鍵要求

在交通運(yùn)輸電子系統(tǒng)中，有很多應(yīng)用要求連續(xù)供電，甚至在車輛已經(jīng)停泊后，例如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安防甚至個(gè)人信息娛樂系統(tǒng)，這類應(yīng)用通常還包括導(dǎo)航、GPS定位和緊急呼叫系統(tǒng)。也許難以理解，為什么這些系統(tǒng)甚至在車輛未行使時(shí)也必須保持接通，不過可以理解的是，為了應(yīng)對緊急情況和保證安全，GPS系統(tǒng)必須“始終保持接通”。這種要求很有必要，以便在需要時(shí)通過外部操作運(yùn)用基本控制功能。

這類應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流，以延長電池壽命。自2010年以來，ADI一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流低于10mA的開關(guān)穩(wěn)壓器，我們最近推出的一些較新產(chǎn)品的備用靜態(tài)電流已經(jīng)低于2mA了。因此，這些產(chǎn)品已經(jīng)為應(yīng)用于很多汽車電子系統(tǒng)做好了充分準(zhǔn)備。

結(jié)論

ADI公司提供了豐富的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品滿足對開關(guān)穩(wěn)壓器的所有要求，而且這些產(chǎn)品的特性非常適合多種交通運(yùn)輸系統(tǒng)，其特性包括：

很寬的輸入電壓范圍：2.xV至150V

在備用模式具低靜態(tài)電流：典型情況下低于10mA

最低限度的輸出噪聲和很低的EMI/EMC輻射

擴(kuò)展的溫度范圍：在150°C環(huán)境溫度和結(jié)溫時(shí)保證運(yùn)行

高效率：滿負(fù)載時(shí)高達(dá)97%，輕負(fù)載情況下高達(dá)80%

低熱阻封裝：低至10°C/W(qjc)

以高降壓比、高開關(guān)頻率運(yùn)行：高達(dá)4MHz

高電流密度：采用3mmx5mmMSOP封裝，提供高達(dá)5A連續(xù)輸出電流

行業(yè)領(lǐng)先的FIT率：典型情況下低于0.2