高頻汽車電源設計

　　概述

　　對于電源系統設計人員來說，電路密度的提高既是挑戰(zhàn)也是機會。多數汽車電子模塊要求低壓供電，如5V、3.3V。如果通過線性降壓方案將電池電壓轉換成所需電壓，會消耗過多的能量。過多的功率耗散則會提高溫度管理系統的設計難度和成本，隨著處理器和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關轉換器取代簡單的低成本、低效率線性電源。

　　開關轉換器的優(yōu)勢

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

　　開關轉換器的選擇

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

　　隨著開關頻率的增加，電路的能量損耗會增大，這在一定程度上削弱了高頻工作的優(yōu)勢。因為開關的損耗與工作電壓的平方成正比，在高輸入電壓下開關損耗會更高。典型的汽車電源管理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，造成較長的傳輸延時。這樣，固有的低速處理過程也降低了轉換效率，因為開關切換時較長的上升/下降時間會引起較大的開關損耗。

　　Maxim采用先進的處理工藝提高了轉換器的開關效率，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開關頻率的升/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。

　　假設開關轉換器能夠抑制電源干擾，需要考慮的另一個問題是：汽車應用是否真的需要高壓工作IC？下面我們通過討論汽車電源的

　　干擾以及對低壓電路的保護措施回答上述問題。

　　電源的過壓條件

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

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

　　穩(wěn)態(tài)過壓保護

　　持續(xù)時間較長的過壓條件被看作穩(wěn)態(tài)過壓，例如，過壓持續(xù)時間超過了對應器件的熱時間常數。這種情況下，連續(xù)的功率耗散引起溫度快速上升成為首要問題，穩(wěn)態(tài)過壓通常包括以下幾種情況：失效的交流電機調節(jié)器、雙電池突發(fā)啟動或和電池反接，以下是各項詳細說明。

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

　　發(fā)生失效時，整個系統都要承受高于13.5V (實際電壓取決于汽車速度、負荷極其他條件)的電壓，典型的調節(jié)器失效OEM測試要求是在18V持續(xù)一個小時。大部分系統要求符合這個測試條件，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，這是另外一種穩(wěn)態(tài)過壓條件，一般發(fā)生在拖車或維修人員使用24V電原發(fā)動不工作的汽車，或對完全放電的電池進行充電的情況下，對于這種情況，典型的 OEM測試要求是在24V下持續(xù)2分鐘。有些與安全、引擎管理相關的系統需要保證在這種條件下能夠工作。

　　電池反接，在生產和維修過程中可能會出現電池反接情況，這時，要求大多數系統可以不工作，但一定要保證不會損壞。典型測試要求是在-14V下持續(xù)一分鐘，這個測試對系統來說是個挑戰(zhàn)，因為需要大電流或低壓降。