高频汽车电源设计

发布时间:2010-08-03
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  概述

  对于系统设计人员来说,电路密度的提高既是挑战也是机会。多数电子模块要求低压供电,如5V、3.3V。如果通过线性降压方案将电池电压转换成所需电压,会消耗过多的能量。过多的功率耗散则会提高温度管理系统的设计难度和成本,随着处理器和ASIC工作速度的提升,需要消耗更大功率,这就要求使用结构复杂的高效取代简单的低成本、低效率线性电源。

  开关转换器的优势

  工作在高开关频率的电源允许选用小尺寸有源元件,如电感、电容,由此可见,开关电路的尺寸取决于电源工作频率。一个高效转换器不仅能够降低功耗,还可以节省空间和昂贵的散热器。因此,使用开关转换器可以使电源模块的总尺寸减小。考虑到这些优点,开关转换器成为车身控制、信息系统、引擎控制电路的理想电源管理方案。

  开关转换器的选择

  开关频率对于开关转换器设计非常重要,因为开关电源的很多问题都与工作频率有关。开关频率和它的高次谐波会对其他电路产生电磁干扰,例如,一个调幅收音机对于530kHz到1710kHz的干扰非常敏感。开关频率超过1710kHz时才能消除基波和高次谐波的干扰。测试数据显示,中等电压、高频处理器配合简单的保护电路,正如Maxim产品所采用的架构,可以提供完美的汽车电源管理方案。所以,设计人员不需要高压控制方案即可设计合理的开关转换器。

  随着开关频率的增加,电路的能量损耗会增大,这在一定程度上削弱了高频工作的优势。因为开关的损耗与工作电压的平方成正比,在高输入电压下开关损耗会更高。典型的汽车电源管理IC需要支持较高电压(40V或更高),以承受甩负载和瞬态过压。处理高压则需较大的芯片尺寸和较厚的栅极,对应的沟道尺寸较长,造成较长的传输延时。这样,固有的低速处理过程也降低了转换效率,因为开关切换时较长的上升/下降时间会引起较大的开关损耗。

  Maxim采用先进的处理工艺提高了转换器的开关效率,为中等电压提供出色的高速转换设计方案。以MAX5073为例,它有2路工作在2.2MHz开关频率的升/降压转换控制器,支持23V输入。转换器异相工作使其能够工作在4.4MHz频率下,并保持较高的转换效率。

  假设开关转换器能够抑制电源干扰,需要考虑的另一个问题是:汽车应用是否真的需要高压工作IC?下面我们通过讨论汽车电源的

  干扰以及对低压电路的保护措施回答上述问题。

  电源的过压条件

  过压保护(OV)器件能够隔离汽车电子系统中连线(通常连接到主电源)所产生的高压传导,有效保护电子电路。对传导干扰的承受能力称为传导抑制。

  汽车制造商和标准组织定义了各种测试方法来评估电路的传导抑制,汽车OEM厂商的要求大多出自ISO7637标准。以下归纳了与汽车电子应用相关的过压保护问题,但并未全面概括所有与传导干扰相关的细节。

  稳态过压保护

  持续时间较长的过压条件被看作稳态过压,例如,过压持续时间超过了对应器件的热时间常数。这种情况下,连续的功率耗散引起温度快速上升成为首要问题,稳态过压通常包括以下几种情况:失效的交流电机调节器、双电池突发启动或和电池反接,以下是各项详细说明。

  失效交流电机调节,调节交流电机的输出,通过控制励磁绕组的电流幅度调整速度、负荷及温度。调节过程通常由电路(电压调节器)完成,利用脉宽调制(PWM)电机的励磁绕组保持稳定的电机输出。电压调节器的典型输出设置为13.5V。然而,电压调节器会出现失效,无论负载或输出电压处于何种条件,都将作用一个满量程励磁电流。

  发生失效时,整个系统都要承受高于13.5V (实际电压取决于汽车速度、负荷极其他条件)的电压,典型的调节器失效OEM测试要求是在18V持续一个小时。大部分系统要求符合这个测试条件,虽然有些舒适度和便利功能允许在这种情况下偏离其正常工作状态。

  双电池突发启动,这是另外一种稳态过压条件,一般发生在拖车或维修人员使用24V电原发动不工作的汽车,或对完全放电的电池进行充电的情况下,对于这种情况,典型的 OEM测试要求是在24V下持续2分钟。有些与安全、引擎管理相关的系统需要保证在这种条件下能够工作。

  电池反接,在生产和维修过程中可能会出现电池反接情况,这时,要求大多数系统可以不工作,但一定要保证不会损坏。典型测试要求是在-14V下持续一分钟,这个测试对系统来说是个挑战,因为需要大电流或低压降。

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  瞬态过压保护

  系统中,大多数过压条件都是由感性负载的开关操作引起的瞬态过压,这类负载包括启动电机、燃油泵、车窗电机、继电器线圈、螺线管、点火器件和分布电感等。任何感性负载上的脉冲电流都会产生过压脉冲。根据幅度、持续时间的要求,可以选择滤波器、金属氧化物可变电阻、瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4说明了ISO7637对过压抑制的要求,表1是对ISO7637规定的总结。

周期性的开关操作会产生周期性的负脉冲

图1. 周期性的开关操作会产生周期性的负脉冲,幅度在(80V至-150V,持续时间1ms至140ms,典型源阻抗为5Ω至25Ω。

周期性的开关操作使电路产生正向脉冲电压

图2. 周期性的开关操作使电路产生正向脉冲电压,幅度在+75V至+150V,典型持续时间50μs。典型源阻抗为2Ω至10Ω。

周期性开关操作在电路中产生-150V

图3. 周期性开关操作在电路中产生-150V、100ns的负脉冲(3a)和100V、100ns的正脉冲(3b),源阻抗典型值为50Ω。

交流电机以大电流给放电电池充电时突然中断

图4. 交流电机以大电流给放电电池充电时突然中断,将会产生一个甩负载脉冲。电流突降会在电机输出端产生一个高压,以保持系统内部的总能量。瞬态持续过程取决于电机励磁电路的时间常数和调节器的响应时间。

表1. 来自不同OEM的传导抑制测试*

来自不同OEM的传导抑制测试

  如上所述,电池电压不能直接供给低电压、高性能,而是将电池连接到瞬态电压抑制起,如MOV或旁路电容及其后续的传统限幅电路。这些简单电路一般采用p沟道MOSFET构成(图5a)。p沟道MOSFET的额定电压为50V至100V,具体取决于VBAT输入端的瞬态电压。

  利用12V齐纳二极管(Z1)保护MOSFET的栅-源极,防止栅-源电压超过VGSMAX, 当输入电压(VBAT)低于齐纳管Z2的击穿电压时,MOSFET处于饱和状态。输入电压发生瞬变时,MOSFET将阻止高于Z2击穿电压的电压通过。这个电路的缺点是使用了一个昂贵的p沟道MOSFET和许多外围元件。

输入限幅电路

图5a. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个p沟道MOSFET。

  另一方案是使用NPN晶体管,NPN管的基极电压嵌位在VZ3, 将发射极电压调整在(VZ3 - VBE)。这个方案成本较低,但VBE压降产生一定的损耗:PLOSS = IIN x VBE。另外,VBE压降也增加对电池最小工作电压的要求,尤其是在冷启动情况(图5b)。第三个方案是使用n沟道MOSFET,n沟道MOSFET的选择范围较广,而且便宜,可以作为隔离元件使用。其栅极驱动比较复杂,要求VG高于源极电压。

输入限幅电路

图5b. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个NPN晶体管。

输入限幅电路

图5c. 输入限幅电路(保护电路)采用了一个n沟道MOSFET。

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  图5c给出了一个使用n沟道MOSFET开关的隔离电路,甩负载情况下,当VBAT电压超过设置门限时,MOSFET完全关闭。随后,只要VBAT电压高于设置门限,MOSFET将一直保持关闭状态。过压保护控制器MAX6398可以过压(如甩负载或双电池供电)时,控制n沟道MOSFET,保护高性能,图6给出了方案的原理框图。图7至图9给出了实验室和实际工作环境下的噪声抑制测试结果,所采用的是n沟道MOSFET瞬态保护电路。

MAX5073 2MHz buck转换器配合MAX6398保护开关的典型电路

图 6. MAX5073 2MHz buck转换器配合MAX6398保护开关的典型电路,该设计具有高性能以及较高的抗干扰能力。

MAX5073双buck转换器的输入纹波

图7. MAX5073双buck转换器的输入纹波、开关波形测试结果,转换器分别工作在2.2MHz开关频率,输入电容纹波的的频率为4.4MHz (CH1 = 第2路时钟源; CH2 = 第1路时钟源; CH3 = 输入电容纹波; CH4 = 时钟输出)。

脉冲

图8A和8B. 脉冲(80V,120ms,OEM#5)作用在保护器的输入, MAX5073连接在保护器的输出,监测转换器的第1路和第2路输出。

  图中波形为图6所示保护器输出和两路转换器输出的响应特性,时间刻度分别为1s/cm (A)和1ms/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路输出; CH4 = 第2路输出)

脉冲

图9A和图9B. 脉冲(70V,500ms)作用在图6所示保护开关的输入,MAX5073连接到保护器的输出,监测转换器的第1路输出和第2路输出。

  图中波形为保护器输出和两路转换器输出的响应特性,时间刻度分别为1s/cm (A)和200μs/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路输出; CH4 = 第2路输出)

  如图9所述,MAX6398功能模块完全支持汽车应用中的甩负载设计,提供低电压、高性能输出。利用保护电路、低电压、高频工作特性可有效节省电路板空间,降低成本。

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