應對售后市場電子產品和基礎設施的電源挑戰(zhàn)

工業(yè)運輸電子產品包括汽車、卡車、火車、飛機和船舶自動化和娛樂的售后市場附加功能，以及道路、海上通道、火車和空中交通管制的基礎設施自動化。本應用筆記討論了主要市場趨勢和客戶需求，這些趨勢和客戶需求給售后市場技術和運輸基礎設施自動化的電源設計帶來了新的挑戰(zhàn)。本文還將研究應對這些挑戰(zhàn)的解決方案，特別強調電源架構。本應用筆記的類似版本最初于2018年4月17日出現在Electronics for U上。

介紹

售后汽車產品推動了從信息娛樂和遠程信息處理到高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的非凡創(chuàng)新。GPS、后視攝像頭和停車傳感器等功能現在在車輛中很常見。全球公司也在不斷推出新的售后市場技術。車隊管理、車載診斷、平視顯示器和貨運控制/監(jiān)控只是汽車和卡車、火車、船舶、航空電子設備和國防應用中技術的幾個例子。

更高效地運送人員和貨物的交通基礎設施自動化包括 HOV 車道控制、停車/收費、計價器、交通控制等。許多其他創(chuàng)新使更快的移動、準時的時間表和更少的事故成為可能。

工業(yè)運輸市場趨勢

車隊管理和物流是工業(yè)運輸中最具活力的應用之一。跟蹤從各個地區(qū)、州、國家甚至海外制造和運輸的貨物是一項大生意。例如，考慮易腐爛的物品。農產品和其他食品在運輸時必須保持在調節(jié)的溫度、壓力或其他參數下。同樣，安全貨物需要傳感器來跟蹤位置和進入。駕駛員安全也至關重要，需要來自監(jiān)控駕駛員警覺性的攝像頭和跟蹤車輛位置的GPS系統(tǒng)的數據。這些數據使用無線網絡和云基礎設施進行記錄，復雜的算法綜合數據，以做出路線和/或駕駛員安全的實時決策。幾家GPS導航公司已進入車隊管理市場，提供硬件和軟件產品和服務。

對于信息娛樂，有些人可能會覺得鑒于已經可用的標準功能，創(chuàng)新空間不大。然而，汽車設計師正在創(chuàng)造的不僅僅是簡單的智能手機界面，還為車輛帶來了進步，例如平視顯示器（HUD），它將手機屏幕投射到擋風玻璃上，并帶有手勢控制，以在地圖上和視頻通話之間導航，或者其他顯著功能，如天氣，股票行情和日歷。另一個活躍的產品開發(fā)領域涉及座椅靠背屏幕，以反映后排乘客的手機屏幕。

ADAS應用正迅速成為車輛的標準功能。照明、停車傳感器、交通警告、后視/擴展攝像頭和車對車（車對車）接口是可用的售后 ADAS 功能。幾家制造商正在研究解決方案，以幫助駕駛員避免意外的車道偏離、碰撞、行人和道路危險，并在限速范圍內行駛。

在繁忙的城市地區(qū)，人們花了很多時間在汽車上，以至于我們看到許多汽車和公共汽車上的無線網關。這種能力使乘客在長途通勤中保持高效。

典型系統(tǒng)架構

圖1.典型的車隊跟蹤/管理系統(tǒng)架構。

車隊跟蹤設備的電源架構

車輛電池（汽車中通常為 12V，許多卡車中通常為 24V）為車隊跟蹤/管理設備供電。該設備作為售后附加組件，而不是有界限的OEM版本，面臨著更苛刻的電源管理環(huán)境。這些設備中的大多數還具有可充電備用電池，通常為3.6V，當主電池電量丟失時可持續(xù)使用兩到三天。從主電池源，前端電子設備受到瞬態(tài)和故障條件的保護。為了給各種數字邏輯和模擬IC供電，降壓型DC-DC轉換器和LDO將受保護的電壓轉換為可用的較低電壓（即3.3V、2.5V、1.2V）。

圖2.典型的車隊跟蹤/管理電源架構。

故障保護

與許多其他從車輛電池中獲取電力的電子設備一樣，必須保護車隊跟蹤/管理設備免受負載突降、再生制動、長電纜振鈴和其他此類事件引起的電壓浪涌的影響。

當交流發(fā)電機旋轉時電池電纜突然斷開時，就會發(fā)生負載突降。此事件將高能量放回車輛電源線上，那里沒有任何東西可以吸收它，從而導致高電壓，可能會損壞未受保護的電子設備。

在再生制動中，當電動汽車駕駛員踩下制動器時，電機會捕獲車輛的動能并將其發(fā)送回電池充電。由于再生制動的高能量、高di/dt性質，因此存在與此事件相關的高壓振鈴。當存在高 di/dt 事件時，例如當設備插入板載診斷連接器時，會發(fā)生長電纜振鈴。為設備的板載電容器或備用電池充電的浪涌電流與電纜的電感諧振并導致高壓振鈴。具有較高寄生電感的較長電纜表現出更嚴重的電壓振鈴。新的OBD-II標準規(guī)定診斷連接器距離方向盤不到兩英尺（0.61米），而主電池則遠離引擎蓋下或卡車側面。這種要求的缺點是它使從電池到OBD-II連接器的電纜更長，因此更容易出現高壓振鈴。

電纜振鈴引起的高壓故障

圖 3 顯示了實驗室設置中的電纜振鈴。24VDC 電源模擬卡車上的 24VDC 電池。一根 10 英尺長的電纜將電源連接到陶瓷電容器（1μF 或 10μF），以模擬車隊跟蹤設備的輸入電容。

圖3.電纜振鈴測試設置。

圖4顯示了在初始插入時模擬電纜振鈴的第一個測試，當浪涌電流（為先前放電的電容器充電并通過電纜寄生電感建立）與電路板輸入電容諧振時。當輸入電容為10μF時，峰值振鈴電壓為32V，電壓尖峰為42.6V。當輸入電容為1μF時，峰值振鈴電壓為40V。

圖4.首次插入時電纜振鈴。

圖5顯示了模擬電纜上短暫短路情況的第二個測試。消除短路后，通過電纜寄生電感建立的短路電流與電路板輸入電容諧振。當輸入電容為10μF時，峰值振鈴電壓為40V。當輸入電容為1μF時，峰值振鈴電壓為50.4V，是24V源電壓的兩倍多。

圖5.短暫短路后電纜振鈴。

該實驗使用10英尺的電纜，該數量代表了卡車電纜從電池到OBD-II連接器的合理估計，以證明峰值振鈴電壓可以輕松地使輸入電壓源加倍。高峰值振鈴電壓可能發(fā)生在不同的電纜長度和不同的器件輸入電容下。實際上，峰值振鈴電壓可以計算如下：

我在哪里PK是峰值短路電流，

是系統(tǒng)的特性阻抗。在這種情況下，L是電纜寄生電感，C是器件輸入電容。

其他需要考慮的故障

由于電子元件可能會遇到短路故障，因此短路和/或過流保護電路對于防止火災危險以及將電源線與故障短路設備隔離至關重要。當環(huán)境溫度過高或存在其他故障（即過流）時，過溫保護可通過降低功耗或完全關閉器件來防止永久性損壞。過溫保護可防止系統(tǒng)過熱和火災危險，并確保系統(tǒng)在其定義的溫度限制內運行。反向連接電池或反向安裝電源線可能會觸發(fā)反向電壓故障。雖然不太可能發(fā)生，但如果沒有適當的反向電壓保護，反向電壓故障通常會對電源線和連接到電纜的電子設備造成代價高昂的損壞。

我們已經討論了保護設備免受許多可能故障的影響的必要性。使用分立元件實現故障保護電路可能非常乏味、昂貴且并非萬無一失。由于元件數量眾多，解決方案很大，系統(tǒng)設計人員有責任驗證和保證電路性能隨時間推移?？紤]到系統(tǒng)在響應故障（打開開關，關閉系統(tǒng)，然后讓技術人員重新啟動系統(tǒng)）時缺乏靈活性，總擁有成本也很高。

圖6所示為Maxim的奧林巴斯系列器件MAX17523 （36V/1A）的現代保護IC。這款高度集成的 IC 將所有必需的保護功能集成到單個纖巧型 16 引腳 TQFN 3×3mm 封裝中。該器件使用起來非常簡單，同時為 12V 運輸電子設備提供了堅固耐用的解決方案。MAX17523提供以下特性：?

高輸入電壓容差（+4.5V至+36V工作范圍）

反向電壓保護（可承受-36V負輸入電壓）

反向電流保護

短路、過流保護

過溫保護

圖6.MAX17523典型應用原理圖

對于24V運輸系統(tǒng)，需要更高額定電壓的保護IC。Maxim奧林巴斯保護IC系列的MAX17525（+5.5V至+60V，0.6A至6A）是理想的選擇。該器件采用節(jié)省空間的 20-TQFN 5×5mm 封裝。MAX17525具有以下特性：

高輸入電壓容差（+5.5V至+60V工作范圍）

反向電壓/電流保護（可承受-60V負輸入電壓）

短路、熱折返限流保護

過溫保護

可調 OVLO、UVLO、啟動電流和正向電流限制

利用現代 DC-DC 穩(wěn)壓器解決空間限制問題

與許多其他運輸電子設備一樣，車隊跟蹤/管理設備在物理上很小。消除設備的散熱以將其溫度保持在范圍內是一項挑戰(zhàn)。將電源電路安裝到狹小的空間中需要高度集成。有效集成功率 MOSFET、補償電路和其他外部組件的現代 DC-DC 電源解決方案有助于減小電路尺寸。將小尺寸解決方案與高效的同步整流技術相結合，有助于降低功耗。Maxim喜馬拉雅系列的MAX15062 （4.5V-60V，300mA）就是此類器件的一個例子，在纖巧的8 TDFN 2×2mm封裝中提供92%的峰值效率。

圖7.MAX15062典型應用原理圖

為了進一步提高集成度，喜馬拉雅電源模塊還包括功率電感器、電阻器和帶 DC-DC 穩(wěn)壓器的電容器。對于設計人員而言，這些模塊易于使用和設計，可實現快速上市，同時只需要一個輸入電容器、一個輸出電容器、兩個小型電壓設置電阻器和一個可選的軟啟動設置電容器即可實現完整的電源解決方案。MAXM17545 （4.5V至42V，1.7A）和MAXM17575（4.5V至60V，1.5A）是喜馬拉雅電源模塊的典范。

當今的汽車和智能運輸自動化應用擁有數百個傳感器。在這些應用中，傳感器被添加到空間受限的設備中。為傳感器供電需要更高的集成度。MAXM17532采用先進的封裝技術，將42V、100mA電源方案小型化為2.6×3×1.5mm uSLIC。?電源模塊。這種高效的同步 DC-DC 降壓電源模塊還最大限度地減少了傳感器的散熱。

4.0V 至 42V V在范圍

0.9V 至 5.5V V外范圍

100mA 連續(xù)電流

圖8.MAXM17532典型應用原理圖

圖9.MAXM17532 uSLIC功率模塊，內置微型接近傳感器。

有人可能會說：我可以使用LDO為傳感器供電！是的，這是正確的，因為LDO通常成本低且易于使用，但它具有高功耗，這是一個關鍵的缺點。

例如，傳統(tǒng)的簡單數字/模擬傳感器可能需要5V/20mA，并具有24V輸入（標稱）。LDO兩端的功耗為（24V – 5V）×20mA = 0.38W （標稱值）。更新的傳感器具有更高的智能、更多的功能和更大的靈活性。所有這些特性意味著更大的功率，比如100mA。在保持相同的輸入/輸出電壓的情況下，LDO兩端的功耗為（24V – 5V） ×100mA = 1.9W。這種明顯更高的功耗必須在同一傳感器的物理外形尺寸中消散。除此之外，傳感器上還增加了更多的電路，需要更小的尺寸和更高的集成度。

Maxim喜馬拉雅的uSLIC電源模塊可滿足尺寸和功耗要求。在24V輸入、5V/100mA輸出和85%效率下，MAXM17532的功耗為（5V × 100mA）× （1/85% - 1） = 0.09W，或僅為LDO中功耗1.9W的5%。低功耗意味著更低的系統(tǒng)工作溫度和更高的長期可靠性。

總結

不斷增長的售后市場運輸電子行業(yè)涵蓋車載系統(tǒng)和運輸基礎設施。服務于該市場的設備必須能夠抵抗過壓、過流、反向電壓、反向電流和過溫等瞬態(tài)條件。高度集成的保護IC可防止這些條件，與使用分立式解決方案相比，簡化了設計。這些類型的設備也變得越來越小，同時仍然提供許多功能。這需要更高的集成度，例如高效電源管理解決方案中可用的解決方案，以減輕散熱，同時增強長期系統(tǒng)可靠性。

審核編輯：郭婷