高頻汽車(chē)電源設計

　　概述

　　對于電源系統設計人員來(lái)說(shuō)，電路密度的提高既是挑戰也是機會(huì )。多數汽車(chē)電子模塊要求低壓供電，如5V、3.3V。如果通過(guò)線(xiàn)性降壓方案將電池電壓轉換成所需電壓，會(huì )消耗過(guò)多的能量。過(guò)多的功率耗散則會(huì )提高溫度管理系統的設計難度和成本，隨著(zhù)處理器和ASIC工作速度的提升，需要消耗更大功率，這就要求使用結構復雜的高效開(kāi)關(guān)轉換器取代簡(jiǎn)單的低成本、低效率線(xiàn)性電源。

　　開(kāi)關(guān)轉換器的優(yōu)勢

　　工作在高開(kāi)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(jiàn)，開(kāi)關(guān)電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個(gè)高效轉換器不僅能夠降低功耗，還可以節省空間和昂貴的散熱器。因此，使用開(kāi)關(guān)轉換器可以使電源模塊的總尺寸減小?？紤]到這些優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)轉換器成為車(chē)身控制、信息系統、引擎控制電路的理想電源管理方案。

　　開(kāi)關(guān)轉換器的選擇

　　開(kāi)關(guān)頻率對于開(kāi)關(guān)轉換器設計非常重要，因為開(kāi)關(guān)電源的很多問(wèn)題都與工作頻率有關(guān)。開(kāi)關(guān)頻率和它的高次諧波會(huì )對其他電路產(chǎn)生電磁干擾，例如，一個(gè)調幅收音機對于530kHz到1710kHz的干擾非常敏感。開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1710kHz時(shí)才能消除基波和高次諧波的干擾。測試數據顯示，中等電壓、高頻處理器配合簡(jiǎn)單的保護電路，正如Maxim產(chǎn)品所采用的架構，可以提供完美的汽車(chē)電源管理方案。所以，設計人員不需要高壓控制方案即可設計合理的開(kāi)關(guān)轉換器。

　　隨著(zhù)開(kāi)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。因為開(kāi)關(guān)的損耗與工作電壓的平方成正比，在高輸入電壓下開(kāi)關(guān)損耗會(huì )更高。典型的汽車(chē)電源管理IC需要支持較高電壓(40V或更高)，以承受甩負載和瞬態(tài)過(guò)壓。處理高壓則需較大的芯片尺寸和較厚的柵極，對應的溝道尺寸較長(cháng)，造成較長(cháng)的傳輸延時(shí)。這樣，固有的低速處理過(guò)程也降低了轉換效率，因為開(kāi)關(guān)切換時(shí)較長(cháng)的上升/下降時(shí)間會(huì )引起較大的開(kāi)關(guān)損耗。

　　Maxim采用先進(jìn)的處理工藝提高了轉換器的開(kāi)關(guān)效率，為中等電壓提供出色的高速轉換設計方案。以MAX5073為例，它有2路工作在2.2MHz開(kāi)關(guān)頻率的升/降壓轉換控制器，支持23V輸入。轉換器異相工作使其能夠工作在4.4MHz頻率下，并保持較高的轉換效率。

　　假設開(kāi)關(guān)轉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(chē)應用是否真的需要高壓工作IC？下面我們通過(guò)討論汽車(chē)電源的

　　干擾以及對低壓電路的保護措施回答上述問(wèn)題。

　　電源的過(guò)壓條件

　　過(guò)壓保護(OV)器件能夠隔離汽車(chē)電子系統中連線(xiàn)(通常連接到主電源)所產(chǎn)生的高壓傳導，有效保護電子電路。對傳導干擾的承受能力稱(chēng)為傳導抑制。

　　汽車(chē)制造商和標準組織定義了各種測試方法來(lái)評估電路的傳導抑制，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商的要求大多出自ISO7637標準。以下歸納了與汽車(chē)電子應用相關(guān)的過(guò)壓保護問(wèn)題，但并未全面概括所有與傳導干擾相關(guān)的細節。

　　穩態(tài)過(guò)壓保護

　　持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)壓條件被看作穩態(tài)過(guò)壓，例如，過(guò)壓持續時(shí)間超過(guò)了對應器件的熱時(shí)間常數。這種情況下，連續的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問(wèn)題，穩態(tài)過(guò)壓通常包括以下幾種情況：失效的交流電機調節器、雙電池突發(fā)啟動(dòng)或和電池反接，以下是各項詳細說(shuō)明。

　　失效交流電機調節，調節交流電機的輸出，通過(guò)控制勵磁繞組的電流幅度調整速度、負荷及溫度。調節過(guò)程通常由電路(電壓調節器)完成，利用脈寬調制(PWM)電機的勵磁繞組保持穩定的電機輸出。電壓調節器的典型輸出設置為13.5V。然而，電壓調節器會(huì )出現失效，無(wú)論負載或輸出電壓處于何種條件，都將作用一個(gè)滿(mǎn)量程勵磁電流。

　　發(fā)生失效時(shí)，整個(gè)系統都要承受高于13.5V (實(shí)際電壓取決于汽車(chē)速度、負荷極其他條件)的電壓，典型的調節器失效OEM測試要求是在18V持續一個(gè)小時(shí)。大部分系統要求符合這個(gè)測試條件，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)。

　　雙電池突發(fā)啟動(dòng)，這是另外一種穩態(tài)過(guò)壓條件，一般發(fā)生在拖車(chē)或維修人員使用24V電原發(fā)動(dòng)不工作的汽車(chē)，或對完全放電的電池進(jìn)行充電的情況下，對于這種情況，典型的 OEM測試要求是在24V下持續2分鐘。有些與安全、引擎管理相關(guān)的系統需要保證在這種條件下能夠工作。

　　電池反接，在生產(chǎn)和維修過(guò)程中可能會(huì )出現電池反接情況，這時(shí)，要求大多數系統可以不工作，但一定要保證不會(huì )損壞。典型測試要求是在-14V下持續一分鐘，這個(gè)測試對系統來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰，因為需要大電流或低壓降。