高頻汽車電源設(shè)計(jì)

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?？紤]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"1,710kHz的干擾非常敏感。開關(guān)頻率超過(guò)1,710kHz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。

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(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)。

2. 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。

3. 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>

瞬態(tài)過(guò)壓保護(hù)

汽車系統(tǒng)中，大多數(shù)過(guò)壓條件都是由感性負(fù)載的開關(guān)操作引起的瞬態(tài)過(guò)壓，這類負(fù)載包括啟動(dòng)電機(jī)、燃油泵、車窗電機(jī)、繼電器線圈、螺線管、點(diǎn)火器件和分布電感等。任何感性負(fù)載上的脈沖電流都會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓脈沖。根據(jù)幅度、持續(xù)時(shí)間的要求，可以選擇濾波器、金屬氧化物可變電阻、瞬態(tài)電壓抑制器等抑制這類瞬態(tài)過(guò)壓。圖1至圖4說(shuō)明了ISO7637對(duì)過(guò)壓抑制的要求，表1是對(duì)ISO7637規(guī)定的總結(jié)。

如上所述，電池電壓不能直接供給低電壓、高性能開關(guān)轉(zhuǎn)換器，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。這些簡(jiǎn)單電路一般采用p溝道MOSFET構(gòu)成(圖5a)。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。

利用12V齊納二極管(Z1) 保護(hù)MOSFET的柵-源極，防止柵-源電壓超過(guò)VGSMAX，當(dāng)輸入電壓(VBAT)低于齊納管Z2的擊穿電壓時(shí)，MOSFET處于飽和狀態(tài)。輸入電壓發(fā)生瞬變時(shí)，MOSFET將阻止高于Z2擊穿電壓的電壓通過(guò)。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是使用了一個(gè)昂貴的p溝道MOSFET和許多外圍元件。[!--empirenews.page--]

另一方案是使用NPN晶體管，NPN管的基極電壓嵌位在VZ3，將發(fā)射極電壓調(diào)整在(VZ3-VBE)。這個(gè)方案成本較低，但VBE壓降產(chǎn)生一定的損耗：PLOSS=IIN×VBE。另外，VBE壓降也增加對(duì)電池最小工作電壓的要求，尤其是在冷啟動(dòng)情況(圖5b)。第三個(gè)方案是使用n溝道 MOSFET，n溝道MOSFET的選擇范圍較廣，而且便宜，可以作為隔離元件使用。其柵極驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，要求VG高于源極電壓。

圖5c給出了一個(gè)使用n溝道MOSFET開關(guān)的隔離電路，甩負(fù)載情況下，當(dāng)VBAT電壓超過(guò)設(shè)置門限時(shí)，MOSFET完全關(guān)閉。隨后，只要VBAT電壓高于設(shè)置門限，MOSFET將一直保持關(guān)閉狀態(tài)。過(guò)壓保護(hù)控制器MAX6398可以汽車過(guò)壓(如甩負(fù)載或雙電池供電)時(shí)，控制n溝道MOSFET，保護(hù)高性能電源，圖6給出了方案的原理框圖。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(cè)試結(jié)果，所采用的是n溝道MOSFET瞬態(tài)保護(hù)電路。

圖7的MAX5073雙buck轉(zhuǎn)換器的輸入紋波、開關(guān)波形測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)換器分別工作在2.2MHz開關(guān)頻率，輸入電容紋波的的頻率為4.4MHz(CH1=第2路時(shí)鐘源;CH2=第1路時(shí)鐘源;CH3=輸入電容紋波;CH4=時(shí)鐘輸出)。

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(shí)間刻度分別為1s/cm(A)和1ms/cm(B)。(CH1=VBAT;CH2=VPROT;CH3=第1路輸出;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，時(shí)間刻度分別為1s/cm(A)和200μs/cm(B)。(CH1=VBAT;CH2=VPROT;CH3=第1路輸出;CH4=第2路輸出)

如圖9所述，MAX6398功能模塊完全支持汽車應(yīng)用中的甩負(fù)載設(shè)計(jì)，提供低電壓、高性能輸出。利用保護(hù)電路、低電壓、高頻工作特性可有效節(jié)省電路板空間、降低成本。