汽車電源介紹

大多數(shù)汽車電子模塊所需電壓(5V和3.3V)都從汽車電池變換而來。用線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)這種變換會(huì)產(chǎn)生顯著的功耗，使熱管理變困難和造價(jià)昂貴。更快處理器和ASIC的更高功率要求促使電源變換器從簡(jiǎn)單、低成本、效率不高的線性穩(wěn)壓器變成更復(fù)雜、效率高的開關(guān)變換器。

選擇變換器

開關(guān)變換器的大小取決于開關(guān)頻率。隨著開關(guān)頻率更高，而電源電感器和電容器變得更小。高效率變換器也可降低功耗，從而消除體積大，昂貴的散熱器。這些優(yōu)點(diǎn)使開關(guān)變換器成為車身電子、音響和引擎控制模塊的電源管理首選。

較高的開關(guān)頻率會(huì)增加功耗，然而會(huì)帶來采用開關(guān)穩(wěn)壓器的其他好處。開關(guān)損耗在較高輸入電壓時(shí)會(huì)顯著的變差，因?yàn)殚_關(guān)損耗正比于工作電壓平方。此外，高電壓IC(40V或更高電壓)工藝需經(jīng)受過壓瞬變(如負(fù)載卸載導(dǎo)致?lián)p耗增加)考驗(yàn)。高電壓工藝用較大的外形尺寸和較厚的柵極厚度。較長(zhǎng)的溝道意味著較長(zhǎng)的傳播延遲。因此，高電壓工藝固有是慢速和效率不高的。

應(yīng)力條件

持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于電子器件熱時(shí)間常數(shù)的任何過壓條件可認(rèn)為是1個(gè)穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。這種情況下，主要關(guān)心的是連續(xù)功耗和引起的溫度上升。

電壓調(diào)整器的輸出設(shè)置點(diǎn)通常為13.5V左右。交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整器在不考慮負(fù)載或輸出電壓條件下提供滿勵(lì)磁電流可能會(huì)失效。此情況發(fā)生時(shí)，超過13.5V的電壓會(huì)加到整個(gè)系統(tǒng)。通常OEM的失效調(diào)整器測(cè)試要求是大約18V(1個(gè)小時(shí)時(shí)間)。

跳變起始點(diǎn)

另一個(gè)過壓條件是：穩(wěn)態(tài)是雙電池跳變起始。此條件通常發(fā)生在用24V系統(tǒng)來跳變起始一個(gè)不能行馳的車輛。典型的OEM雙電池測(cè)試要求需要用24V兩分鐘?？煽康囊婀芾砗拖嚓P(guān)安全系統(tǒng)需要工作在這些條件下。

每當(dāng)電流中斷時(shí)、通?？倳?huì)產(chǎn)生1個(gè)過壓脈沖，所以需要濾波器、MOV(金屬氧化物變阻器)或瞬態(tài)電壓抑制器來抑制這些過壓瞬變。ISO7637標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)這些感應(yīng)的開關(guān)瞬變過壓條件規(guī)定4個(gè)基本的測(cè)試脈沖。

抑制系統(tǒng)

電池電壓不能直接饋入低電壓高性能開關(guān)穩(wěn)壓器。代之以在傳統(tǒng)輸入電壓限制器之后，在電池和開關(guān)穩(wěn)壓器之間必須增加瞬態(tài)電壓抑制器(如MOV)和旁路電容器。這些簡(jiǎn)單電路圍繞P溝MOS FET設(shè)計(jì)(見圖1)。當(dāng)輸入電壓VBAT低于齊納二極管Z2的擊穿電壓時(shí)MOSFET工作在飽和狀態(tài)。在輸入電壓瞬變期間，MOSFET阻止高于Z2擊穿電壓的電壓。此電路的缺點(diǎn)是元件數(shù)多和P溝MOSFET費(fèi)用。

圖1 用P溝MOSFET的一般電壓保護(hù)電路

另一種方法包含1個(gè)NPN晶體管，其集電極連接到電池上，發(fā)射極連接到下游電路。連接在晶體管基極和地之間的齊納二極管箝位基極電壓，因此調(diào)整發(fā)射極電壓(VBE)低于電壓V2。盡管此電路比MOSFET電路成本低，但效率低。此外，跨接在晶體管上的壓降增加了最小工作電池電壓，此電壓在冷曲軸期間是關(guān)鍵性的。

第3種可能的方案包含1個(gè)N溝MOSFET，用做阻塞元件。N溝MOSFET比P溝MOSFET便宜。然而，驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的電路是比較復(fù)雜的，柵極上的電壓必須高于源極上的電壓。Maxim公司的MAX6398包含1個(gè)驅(qū)動(dòng)外部N溝MOSFET的內(nèi)部電荷泵(圖2)。在負(fù)載卸載期間，當(dāng)VBAT高于設(shè)置限值時(shí)MOSFET完全關(guān)斷;只要VBAT保持大于設(shè)置電壓，它就一直保持關(guān)斷狀態(tài)。MAX6398控制N溝MOSFET來保護(hù)高性能電源防止來自汽車過壓。連接下游的MAX5073 2MHz兩輸出降壓變器減小了電路尺寸。保護(hù)器與低電壓/高頻電源相接合的方法與工作在顯著較低頻率的高壓變換器相比節(jié)省空間和成本。

圖2 N溝MOSFET開關(guān)用做阻塞器件