高频汽车电源设计

第第页高频汽车电源设计对于电源系统设计人员来说，密度的提高既是挑战也是机会。多数模块要求低压供电，如5v、3.3v。假如通过线性降压计划将电池转换成所需电压，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，这就要求用法结构复杂的高效开关转换器取代容易的低成本、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、，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，还可以节约空间和昂贵的散热器。因此，用法开关转换器可以使的总尺寸减小。考虑到这些优点，开关转换器成为车身控制、信息系统、引擎控制电路的抱负计划。

开关转换器的挑选

开关频率对于开关转换器设计十分重要，由于的无数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"1,710khz的干扰十分敏感。开关频率超过1,710khz时才干消退基波和高次谐波的干扰。测试数据显示，中等电压、高频处理器协作容易的庇护电路，正如产品所采纳的架构，可以提供完善的汽车电源管理计划。所以，设计人员不需要高压控制计划即可设计合理的开关转换器。

随着开关频率的增强，电路的能量损耗会增大，这在一定程度上减弱了高频工作的优势。由于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，由于开关切换时较长的升高/下降时光会引起较大的开关损耗。

maxim采纳先进的处理工艺提高了转换器的开关效率，为中等电压提供精彩的高速转换设计计划。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下面我们通过研究汽车电源的干扰以及对低压电路的庇护措施回答上述问题。

电源的过压条件

过压庇护(ov)器件能够隔离汽车系统中连线(通常衔接到主电源)所产生的高压传导，有效庇护电子电路。对传导干扰的承受能力称为传导抑制。

汽车创造商和标准组织定义了各种测试办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庇护问题，但并未全面概括全部与传导干扰相关的详情。

稳态过压庇护

持续时光较长的过压条件被看作稳态过压，例如，过压持续时光超过了对应器件的热时光常数。这种状况下，延续的功率耗散引起温度迅速升高成为首要问题，稳态过压通常包括以下几种状况：失效的沟通电机调整器、双电池突发启动或和电池反接，以下是各项具体解释。

1.失效沟通电机调整

调整沟通电机的输出，通过控制励磁绕组的幅度调节速度、负荷及温度。调整过程通常由电路(电压调整器)完成，利用脉宽调制()电机的励磁绕组保持稳定的电机输出。电压调整器的典型输出设置为13.5v。然而，电压调整器会浮现失效，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，囫囵系统都要承受高于13.5v(实际电压取决于汽车速度、负荷极其他条件)的电压，典型的调整器失效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，虽然有些舒服度和方便功能允许在这种状况下偏离其正常工作状态。

2.双电池突发启动

这是另外一种稳态过压条件，普通发生在拖车或修理人员用法24v电原发动不工作的汽车，或对彻低放电的电池举行充电的状况下，对于这种状况，典型的oem测试要求是在24v下持续2分钟。有些与平安、引擎管理相关的系统需要保证在这种条件下能够工作。

3.电池反接

在生产和修理过程中可能会浮现电池反接状况，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，由于需要大电流或低压降。

瞬态过压庇护

汽车系统中，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、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。按照幅度、持续时光的要求，可以挑选、金属氧化物可变、瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4解释了iso7637对过压抑制的要求，表1是对iso7637规定的总结。

如上所述，电池电压不能挺直供应低电压、高性能开关转换器，而是将电池衔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。这些容易电路普通采纳p沟道构成(图5a)。p沟道mosfet的额定电压为50"100v，详细取决于vbat输入端的瞬态电压。

利用12v齐纳(z1)庇护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将阻挡高于z2击穿电压的电压通过。这个电路的缺点是用法了一个昂贵的p沟道mosfet和许多外围元件。

另一计划是用法npn晶体管，npn管的基极电压嵌位在vz3，将放射极电压调节在(vz3-vbe)。这个计划成本较低，但vbe压降产生一定的损耗：ploss=iin×vbe。另外，vbe压降也增强对电池最小工作电压的要求，尤其是在冷启动状况(图5b)。第三个计划是用法n沟道mosfet，n沟道mosfet的挑选范围较广，而且廉价，可以作为隔离元件用法。其栅极驱动比较复杂，要求vg高于源极电压。

图5c给出了一个用法n沟道mosfet开关的隔离电路，甩负载状况下，当vbat电压超过设置门限时，mosfet彻低关闭。随后，只要vbat电压高于设置门限，mosfet将向来保持关闭状态。过压庇护控制器max6398可以汽车过压(如甩负载或双电池供电)时，控制n沟道mosfet，庇护高性能电源，图6给出了计划的原理框图。图7至图9给出了试验室和实际工作环境下的噪声抑制测试结果，所采纳的是n沟道mosfet瞬态庇护电路。

图7的max5073双buck转换器的输入纹波、开关波形测试结果，转换器分离工作在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)。

图中波形为图6所示庇护器输出和两路转换器输出的响应特性，时光刻度分离为1s/cm(a)和1ms/cm(b)。(ch1=vbat；ch2=vprot；ch3=第1路输出；ch4=第2路输出)

图中波形为庇护器输出和两路转换器输出