车载电源设计知识

发布日期:2020-10-22 07:59   来源:未知   阅读:

  车载电源设计知识_信息与通信_工程科技_专业资料。介绍车载电源方面的知识

  车载电源设计知识 作者:John Constantopoulos、Sanmukh Patel 以及 Brad Little,德州仪器 (TI) 引言 在汽车工业中,对于车载电源管理的要求正变得愈加苛刻。现在,它们要求电 源能够工作在更宽的输入电压、更高的电流以及更高的温度极值条件下。这些 要求将使开关模式电源设计成为主流,因为这种电源设计具有更大的灵活性、 更优异的可配置性和更高的散热效率。 开关模式电源的核心组件是 DC/DC 转换器。今天的车载转换器必须能够支持 各种运行条件,例如:低压运行(也就是冷启动)和正瞬态生存性 (positive transient survivability)(也就是抑制或未抑制的抛负载状态)。车载子系统的出 现所带来的更高负载需求使得这些数据转换器设计变得更为复杂。本文将给读 者提供一个关于车载电源需求的简要介绍,并且介绍一款由 TI 最近推出的新型 DC/DC 转换器 TPIC74100。 车载瞬态保护 抛负载 几乎所有直接连接至汽车电池的电子组件和电路均要求保护,以免于受到抑 制、瞬态电压(高达 60V)和反向电压状态的损害。对于这些电子电路而言, 必须能够经受住电源线路上一定程度的过电压,这也是一种常见的要求。对于 车载系统而言,尤为如此,为所有特殊车载电子系统提供电源输入的主电源必 须能够承受各种瞬态电压状态(包括交流发电机的抛负载)。抛负载是指去掉 负载时电源电压发生的变化。电压调节有一个时间常量,并且,如果迅速地将 负载去去掉,那么电压稳定则只需几毫秒的时间。车载电池的作用就是消除这 些脉冲,并保持电压更恒定。 由于交流发电机控制环路关闭的速度不够快,因此,在将电池电压去除掉时, 其会产生一个高输出电压脉冲。正常情况下,在汽车某个中央位置,这种高能 脉冲被控制或抑制在一个较低的电压范围内。但是,汽车厂商还是给供应商规 定了在其电源输入端上可能出现的剩余过电压。这种情况在轿车厂商中更为不 同,但是轿车的标准峰值大约为 40V,而商务车的标准峰值则大约为 60V。一 个典型抛负载脉冲的持续时间为几十分之几秒,下图(图 1)显示了该抛负载 状态下的典型脉冲。 图 1 一个抛负载瞬态的图表描述 ? 仪表板应用的冷启动 在车载运行环境中,对于电源管理芯片的需求日益增长。这些需求之一便是需 要能够运行于一个宽电压偏移范围的电源管理芯片,直接连接至电池的电子系 统通常都会有这种电压偏移范围。通过观察该冷启动脉冲,可以描述出此类瞬 态的一个例子。这种状态可发生在车辆在寒冷环境下的第一次启动。如果温度 可以足够的低(例如:冷却至零摄氏度)的话,那么引擎用油会变得粘稠。通 过要求提供更高的功率和更大的扭矩,这就对马达提出了重负载要求。这样就 需要能够提供更高电流的电池。重负载要求可以在该点火周期内将电池电压立 刻下拉至 3V。 我们所面临的挑战是,一些应用必须在该过程中保持运行。这些应用并非只限 于动力传动系电子控制部件 (ECU) 或安全关键性应用,在一些集群及信息娱乐 子系统中也同样可以看到这些应用的踪影。当出现该条件时,电源管理芯片必 须对输入电压进行升压,以便保持正确的调节输出电压,从而保证这些电子系 统可以正确地发挥作用。 图 2 输入电压变化或冷启动 可用于升压?降压转换的拓扑结构包括苦干不同的种类:单端初级电感转换器 (SEPIC),或一种纯降压?升压转换器。 ? SEPIC 转换器 SEPIC 转换器提供一种降压转换,直到输入电压等于或者降到输出电压电平之 下。然后,它将提供升压转换,直到电池电压降到最小的容许输入电压电平。 使用 SEPIC 的一个主要弊端是,它需要一个单耦合线圈(也即变压器)或者两 个单独电感,以及一个耦合电容器,如图 3 所示。 图 3 使用两个单独电感的 SEPIC 拓扑结构 这些电感和线圈的体积均较大,在印刷电路板 (PCB) 上需要更多的空间。在那 些必须保持体积尺寸和板级空间的应用中,这种情况就更加不适宜。 启动降压?升压转换器 车载应用中,对于降压?升压转换器的需求在过去的几年中日益急剧增长。对于 那些需要在电压瞬态期间(例如:冷启动)继续“存活”的应用而言,这就更 加有益。 该降压?升压转换器是一款 DC/DC 转换器,其具有一个大于或小于输入电压振 幅的输出电压振幅。它是一款开关模式电源,具有同升压转换器和降压转换器 相类似的电路拓扑结构。根据开关晶体管的占空比,可以对该输出进行调节。 这种拓扑结构由一个降压功率级和其两个功率开关组成,并且这两个开关又通 过功率电感连接至一个升压功率级及其两个功率开关。这些开关能够在三种不 同运行模式中的一种模式下得到控制。这三个模式分别为降压?升压模式、降压 模式和升压模式。运行的特殊芯片模式是输入到输出电压比率的函数,同时也 是芯片的控制拓扑结构。 TI 推出的 TPIC74100-Q1 是一款降压?升压开关模式调节器,其工作在电源概念 下,以确保一个带有输入电压偏移和规定负载范围的稳定输出电压。 图 4 TPIC74100 纵览 这种降压?升压开关模式调节器集成了电压模式控制开关。其也是在同步配置中 被设计出来的,以获得增强的总体效率。借助于一些外部组件(LC 组合),该 器件可将输出调节至 5V±3%,以实现一个宽输入电压范围,使其可以被用于许 多高输入电压应用。当 5V 输出轨超出规定容差时,这种器件同时还提供一种 用于检测和指示的复位功能。通过使用 REST 引脚 (terminal) 上的一款外部计 时电容可以对该复位延迟进行编程。 TPIC74100 拥有一个频率调制方案,其允许系统设计通过在频带上扩散频谱噪 声(而非在特定频率上达到峰值)来满足 EMC 要求。 输出是一种开关 5V 调节输出,其具有内部电流限制功能,以在驱动一个 电 源 线 路 电 容 性 负 载 时 防 止 出 现 “ 复 位 ” 坚 持 (assert) 。 这 种 功 能 由 5Vg_ENABLE 引脚控制。如果该输出(5Vg 输出)上有一个接地短路,那么输 出通过在斩波模式下运行进行自我保护。但是,在该故障状态下,这样做就会 增高 VOUT 的输出纹波电压。 降压?升压转换 根据输入电压 (Vdriver) 和输出负载条件,该运行模式自动在降压和升压模式之间 进行转换。 在正常运行模式中,该系统将会被配置为一个降压转换器。但是,在低输入电 压脉冲期间,该器件自动地转换到升压模式运行,以维持 5V 的电压调节。当 输入电压 (Vdrive) 介于 5.8V 和 5V 之间并且取决于负载条件的时候,就会发生 这种升压模式的转换。 当该器件正运行于升压模式且 V(driver) 处于 5.8V 至 5V 的转换窗口中时,输 出调节可能包含一个高于正常情况的纹波,并且仅维持一个 3% 的容差。这种 纹波和容差取决于负载情况,负载条件越高,性能就越高。 图 5 降压?升压结构 低功耗运行 在一些车载应用中,例如:传动系和仪表板群,要求低功耗模式运行以实现在 车辆点火处于“关闭”期间最小化功耗。降压?升压开关模式调节器拥有一个输 入 LPM,其在轻负载期间被启用时将以脉冲频率调制 (PFM) 模式运行,此状 态下电流通常不到 30mA。在大多数系统中,许多存储器设备均要求在点火处 于“关闭”状态时仍然需要一些功率来保留数据。这通常需要不到 100uA 的电 流。降压?升压开关模式调节器拥有 150uA(典型值)静态电流的低功耗模式。 通过开关频率的变化完成调节。 在 PFM 模式下,不存在用于输出负载的降低的负载电流。这种模式下,转换 器效率更低,由于更高的负载电流,输出电压纹波将比 PFM 模式下稍大一 些。实施低功耗模式功能,以实现降压模式运行。在升压模式条件下,该器件 将会自动地进入 PWM 模式。通过启用低功耗模式,降压和升压之间的转换与 PWM 模式和 PFM 模式之间的转换同时进行。 结论 在许多车载应用中,车载瞬态电压是一个将会不断带来挑战的问题。在许多需 要在这些状态期间持续保持运行的车载电源管理系统中,或当电池电压意外地 降到要求输出电压电平之下时,降压?升压转换器将起到一个关键作用。 TPIC74100-Q1 车载降压?升压转换器将简化车载环境中的设计,并且使设计工 程师可以节省外部组件和 PCB 空间,且具有功率开关和同步运行集成的特点。 TPIC74100-Q1 采用一个带散热板的 20 引脚 PWP 封装,其规定的温度范围为 ?40°C~+125°C。 参考信息 ? 如欲了解车载解决方案的更多详情,敬请访问: