具有輸入故障保護(hù)的四路輸出電源參考設(shè)計適用于汽車應(yīng)用

作者：Terry Lo、Fil Paulo Balat、Siglo Raphael Alcantara和Michael Angelo Lacson

本文介紹了適用于汽車電子（如遠(yuǎn)程信息處理盒）的四路輸出、三路單芯片降壓轉(zhuǎn)換器和升壓控制器參考設(shè)計。該參考設(shè)計采用故障保護(hù)方案，可針對負(fù)載突降、冷啟動或電池反接等輸入瞬變提供支持。

介紹

汽車交流發(fā)電機和點火系統(tǒng)產(chǎn)生的能量產(chǎn)生的電壓瞬變，或由于汽車碰撞等外部因素引起的故障事件，都會影響汽車系統(tǒng)中的電子電路。電子電路的可靠性可能會受到很大影響;因此，必須考慮針對這些不可預(yù)測事件的保護(hù)措施。例如，遠(yuǎn)程信息處理盒是汽車內(nèi)部需要高可靠性和保護(hù)的電子系統(tǒng)。

本文中的電源系統(tǒng)設(shè)計是一種參考設(shè)計解決方案，可為需要四個電壓輸入的汽車電子模塊提供保護(hù)和可靠性。它具有針對負(fù)載突降、冷啟動和電池反接的輸入故障保護(hù)功能。電源路徑?當(dāng)輸入故障保護(hù)處于活動狀態(tài)時，控制器允許主電池和備用電池之間的平滑切換。四路輸出穩(wěn)壓器提供四個電壓輸出，并配有一個三通道單芯片降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓控制器。其中一個降壓輸出可用于處理高輸出峰值電流要求，例如通信模塊上的峰值電流要求。當(dāng)主電池處于活動狀態(tài)時，可以通過線性電池充電器為備用電池充電。圖1和圖2顯示了參考設(shè)計解決方案的基本框圖和評估板。

圖1.參考設(shè)計的基本框圖。

圖2.評估板硬件。

故障事件和場景

負(fù)載突降

當(dāng)交流發(fā)電機系統(tǒng)正在為電池充電并且與電池的連接斷開時，會發(fā)生負(fù)載突降。由于電纜退化、連接不當(dāng)或在發(fā)動機運行時故意分離，電池可能會斷開連接，從而導(dǎo)致負(fù)載突降。沒有集中拋負(fù)載抑制的交流發(fā)電機系統(tǒng)允許交流發(fā)電機在電池突然斷開的情況下產(chǎn)生極高的電壓。對于12 V系統(tǒng)，由于定子的高電感和車輛的穩(wěn)壓器無法足夠快地降低磁場電流，因此傾倒到負(fù)載上的電壓可能高達(dá)100 V。

圖3.負(fù)載突降方案。

冷啟動

在啟動或啟動期間，發(fā)動機需要更多的動力，導(dǎo)致電池電壓下降。一般來說，在寒冷的環(huán)境中啟動發(fā)動機比在溫暖的環(huán)境中啟動發(fā)動機更難。這需要發(fā)動機消耗更多的動力，與正常起動相比，這會導(dǎo)致更大的壓降。這種情況稱為冷啟動。圖4中的波形顯示了冷啟動期間主電池低于其指定水平時的波形。

圖4.冷啟動場景示例。

反向電壓

反向電壓或簡單的反向電池條件涵蓋了人為錯誤情況，即有人將電池連接時極性反轉(zhuǎn)。除非提供足夠的保護(hù)，否則這可能導(dǎo)致破壞。

電路功能

故障保護(hù)

LTC4367在斷開 V 時充當(dāng)電路的故障保護(hù)巴特電壓至 V在當(dāng) V巴特電壓過低、過高或為負(fù)。它具有精確的過壓和欠壓比較器，以確保僅在輸入電源在允許的電壓窗口內(nèi)時才向系統(tǒng)供電。LTC4367 可自動將負(fù)載與負(fù)輸入電壓隔離開來。它可以運行高達(dá) 100 V 的過壓保護(hù)和低至 –40 V 的欠壓保護(hù)。

圖5.典型電路及其功能的框圖。

圖6.V巴特有效和故障保護(hù)窗口。

備用電池

可通過 LTC4079 為備用電池充電，LTC4079具有一個多化學(xué)電池充電器，因而允許使用一種靈活的電池電壓。參考設(shè)計電路使用約4.2 V的充電電壓。為避免電池過度充電，LTC4079 還具有通過一個 C/10 檢測器或一個約 2 小時 30 分鐘的設(shè)定充電定時器實現(xiàn)的充電終止功能。

在 V 之間自動切換BATT和 VBACKUP可通過LTC4412電源路徑控制器實現(xiàn)。此功能允許LT8603在 V 上保持輸出電壓OUT4通過有一個 VIN從任一 V 繪制BATT或 VBACKUP.在 V 的情況下BATT檢測到斷開或故障，控制器允許電流從 V 流出BACKUP到 VIN的 LT8603。當(dāng)未檢測到故障時，LTC4412 將阻塞連接 V 的路徑BACKUP到 VIN的 LT8603。圖7顯示了電源切換事件的波形。

圖7.冷啟動時的電源切換事件。

在冷啟動的情況下，VBATT從 12 V 降至 2 V。五世BATT路徑已斷開，并且 VBACKUP現(xiàn)在擔(dān)任 VIN升壓轉(zhuǎn)換器，以在 V 上保持 8 V 輸出OUT4.當(dāng)VBATT增加到~5 V時，它將再次用作VIN用于升壓轉(zhuǎn)換器。VOUT4仍將保持在 8 V，直到 VBATT達(dá)到 8 V。作為 VBATT恢復(fù)到其原始電壓 12 V， VOUT4然后將遵循 V 的VBATT.V 上的小壓降OUT4是由于二極管正向電壓。電源切換允許 VOUT1/ 5OUT2和 VOUT3以維持其監(jiān)管。

四路輸出穩(wěn)壓器

LT8603 具有一個升壓型穩(wěn)壓器 VOUT4，帶兩個高壓降壓穩(wěn)壓器，VOUT1和 VOUT2和一個低壓降壓穩(wěn)壓器VOUT3.升壓穩(wěn)壓器能夠為降壓穩(wěn)壓器供電。LT8603 可在不同的輸入電壓電平下提供良好的輸入和輸出負(fù)載調(diào)節(jié)。圖 8 顯示了 LT8603 的輸出調(diào)節(jié)。

圖8.LT8603 的輸出調(diào)節(jié)。

降壓穩(wěn)壓器輸出之一V的高輸出峰值電流能力OUT2，用于涉及通信模塊的應(yīng)用。通信模塊在4.6 ms周期內(nèi)需要3.6 V至4 V的典型輸出電壓和0.6 ms的輸出峰值電流導(dǎo)通時間。在圖9所示的測試條件下，監(jiān)控系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。VOUT2具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，電壓下沖和過沖最小。

圖9.V的高輸出峰值電流性能OUT2.

負(fù)載突降響應(yīng)

參考設(shè)計板的輸入故障保護(hù)和電源切換功能允許 LT8603 在發(fā)生拋負(fù)載事件的情況下工作。圖10顯示了拋負(fù)載條件的仿真波形，其中VBATT高達(dá) 100 V 升壓的響應(yīng) VOUT4和降壓穩(wěn)壓器之一 VOUT3.在由于負(fù)載傾倒引起的過沖期間，36 V VBATT達(dá)到限值，LTC4367斷開連接 V 的路徑BATT到 V在.VOUT4現(xiàn)在來源其 VIN從 VBACKUP以維持穩(wěn)定的8 V電平。作為 VBATT恢復(fù)到其原始級別，VOUT4然后將遵循 VBATT.

圖 10.負(fù)載突降響應(yīng)。

電路變化和實現(xiàn)

原理圖設(shè)計的靈活性允許改變電路的實現(xiàn)方式。參考設(shè)計板具有“請勿安裝”組件和路徑連接器，允許用戶使用拓?fù)?1 或拓?fù)?2 配置電路板。這也允許在V上配置升壓或SEPIC轉(zhuǎn)換器OUT4取決于應(yīng)用。對于150 V瞬態(tài)條件，可以在LTC4367上實現(xiàn)用于增加輸入故障保護(hù)的附加電路選項。有關(guān)配置的更多詳細(xì)信息，請參見參考設(shè)計板的原理圖。

圖5所示的電路配置為拓?fù)?，最小V。BACKUP電壓為 2.5 V，V 之后有一個 EMI 濾波器在，并且能夠通過 LTC4412HV 進(jìn)行電源切換。五世IN的升壓控制器從 V 獲取電源BATT或 VBACKUP.在 V 期間BATT有效窗口，VOUT4通過升壓轉(zhuǎn)換器保持穩(wěn)定的電壓電平或遵循VBATT如圖 6 所示。V型外BATT有效窗口，VOUT4來源于VBACKUP以保持規(guī)定的設(shè)定水平。

拓?fù)?2 滿足了對較低 V 的需求備份電壓應(yīng)用，例如 1.5 V 電平。當(dāng)沒有輸入故障時，VBATT直接連接到 VOUT4而VBACKUP是 VIN到升壓控制器。降壓穩(wěn)壓器的輸入端需要額外的濾波器，以獲得更好的噪聲濾波和EMI性能。當(dāng)V時無縫實現(xiàn)電源切換BATT低于或高于其有效窗口。最小值 VBATT有效窗口的電壓電平設(shè)置為V的調(diào)節(jié)電平OUT4.在 V 期間巴特有效窗口，VOUT4遵循 VBATT.V之外BATT有效窗口，VBACKUP用于維持調(diào)節(jié)的設(shè)定水平。

圖 11.電路變化。

結(jié)論

汽車應(yīng)用的不斷發(fā)展需要更多的可靠性和安全性考慮。國際組織定義的標(biāo)準(zhǔn)對于設(shè)計人員發(fā)揮了重要作用，設(shè)計人員專注于可能導(dǎo)致可能有害或可能導(dǎo)致電子系統(tǒng)退化的電壓瞬變的原因。總之，四路輸出功率參考設(shè)計已經(jīng)證明了其在輸入過壓、欠壓和反向電壓操作的仿真測試條件下的能力。此外，不同的電路變化在備用電池操作、最小電池電壓電平、EMI輸入濾波和元件數(shù)量方面具有靈活性。有關(guān)參考設(shè)計板的更多信息，請聯(lián)系作者或您當(dāng)?shù)氐?a target="_blank">ADI代表。

參考設(shè)計 IC 和文件

此處附有四路輸出穩(wěn)壓器的原理圖、PCB Gerber 文件和物料清單（拓?fù)?1）。有關(guān)評估板的可用性，請聯(lián)系作者或您當(dāng)?shù)氐?a target="_blank">ADI代表。

審核編輯：郭婷