汽車(chē)電源介紹

大多數汽車(chē)電子模塊所需電壓(5V和3.3V)都從汽車(chē)電池變換而來(lái)。用線(xiàn)性穩壓器實(shí)現這種變換會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)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(xiàn)性穩壓器變成更復雜、效率高的開(kāi)關(guān)變換器。

選擇變換器

開(kāi)關(guān)變換器的大小取決于開(kāi)關(guān)頻率。隨著(zhù)開(kāi)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(kāi)關(guān)變換器成為車(chē)身電子、音響和引擎控制模塊的電源管理首選。

較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )增加功耗，然而會(huì )帶來(lái)采用開(kāi)關(guān)穩壓器的其他好處。開(kāi)關(guān)損耗在較高輸入電壓時(shí)會(huì )顯著(zhù)的變差，因為開(kāi)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(guò)壓瞬變(如負載卸載導致?lián)p耗增加)考驗。高電壓工藝用較大的外形尺寸和較厚的柵極厚度。較長(cháng)的溝道意味著(zhù)較長(cháng)的傳播延遲。因此，高電壓工藝固有是慢速和效率不高的。

應力條件

持續時(shí)間長(cháng)于電子器件熱時(shí)間常數的任何過(guò)壓條件可認為是1個(gè)穩態(tài)現象。這種情況下，主要關(guān)心的是連續功耗和引起的溫度上升。

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

跳變起始點(diǎn)

另一個(gè)過(guò)壓條件是：穩態(tài)是雙電池跳變起始。此條件通常發(fā)生在用24V系統來(lái)跳變起始一個(gè)不能行馳的車(chē)輛。典型的OEM雙電池測試要求需要用24V兩分鐘?？煽康囊婀芾砗拖嚓P(guān)安全系統需要工作在這些條件下。

每當電流中斷時(shí)、通?？倳?huì )產(chǎn)生1個(gè)過(guò)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(lái)抑制這些過(guò)壓瞬變。ISO7637標準針對這些感應的開(kāi)關(guān)瞬變過(guò)壓條件規定4個(gè)基本的測試脈沖。

抑制系統

電池電壓不能直接饋入低電壓高性能開(kāi)關(guān)穩壓器。代之以在傳統輸入電壓限制器之后，在電池和開(kāi)關(guān)穩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設計(見(jiàn)圖1)。當輸入電壓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)是元件數多和P溝MOSFET費用。

圖1 用P溝MOSFET的一般電壓保護電路

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，驅動(dòng)柵極的電路是比較復雜的，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)驅動(dòng)外部N溝MOSFET的內部電荷泵(圖2)。在負載卸載期間，當VBAT高于設置限值時(shí)MOSFET完全關(guān)斷;只要VBAT保持大于設置電壓，它就一直保持關(guān)斷狀態(tài)。MAX6398控制N溝MOSFET來(lái)保護高性能電源防止來(lái)自汽車(chē)過(guò)壓。連接下游的MAX5073 2MHz兩輸出降壓變器減小了電路尺寸。保護器與低電壓/高頻電源相接合的方法與工作在顯著(zhù)較低頻率的高壓變換器相比節省空間和成本。

圖2 N溝MOSFET開(kāi)關(guān)用做阻塞器件