高頻汽車電源設(shè)計

摘要：IC設(shè)計中，把高頻率的開關(guān)電路和高電壓電路結(jié)合在一起是一件非常困難的事情。然而，在提供適當(dāng)高壓保護(hù)的前提下，設(shè)計高頻汽車電源是完全可行的。隨著汽車中集成越來越多的電子設(shè)備，對高頻工作的需求也越來越迫切。本文討論幾種在汽車的嘈雜環(huán)境下保護(hù)低壓電路的方法，包括噪聲抑制的測試結(jié)果。

概述

對于電源系統(tǒng)設(shè)計人員來說，電路密度的提高既是挑戰(zhàn)也是機(jī)會。多數(shù)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(zhuǎn)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(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的高效開關(guān)轉(zhuǎn)換器取代簡單的低成本、低效率線性電源。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

工作在高開關(guān)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(guān)電路的尺寸取決于電源工作頻率。一個高效轉(zhuǎn)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(guān)轉(zhuǎn)換器可以使電源模塊的總尺寸減小。考慮到這些優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為車身控制、信息系統(tǒng)、引擎控制電路的理想電源管理方案。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的選擇

開關(guān)頻率對于開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計非常重要，因?yàn)?a target="_blank">開關(guān)電源的很多問題都與工作頻率有關(guān)。開關(guān)頻率和它的高次諧波會對其他電路產(chǎn)生電磁干擾，例如，一個調(diào)幅收音機(jī)對于530kHz到1710kHz的干擾非常敏感。開關(guān)頻率超過1710kHz時才能消除基波和高次諧波的干擾。測試數(shù)據(jù)顯示，中等電壓、高頻處理器配合簡單的保護(hù)電路，正如Maxim產(chǎn)品所采用的架構(gòu)，可以提供完美的汽車電源管理方案。所以，設(shè)計人員不需要高壓控制方案即可設(shè)計合理的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

隨著開關(guān)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?yàn)殚_關(guān)的損耗與工作電壓的平方成正比，在高輸入電壓下開關(guān)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(fù)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(yīng)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(zhuǎn)換效率，因?yàn)殚_關(guān)切換時較長的上升/下降時間會引起較大的開關(guān)損耗。

Maxim采用先進(jìn)的處理工藝提高了轉(zhuǎn)換器的開關(guān)效率，為中等電壓提供出色的高速轉(zhuǎn)換設(shè)計方案。以MAX5073為例，它有2路工作在2.2MHz開關(guān)頻率的升/降壓轉(zhuǎn)換控制器，支持23V輸入。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。

假設(shè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠抑制電源干擾，需要考慮的另一個問題是：汽車應(yīng)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(hù)措施回答上述問題。

電源的過壓條件

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

汽車制造商和標(biāo)準(zhǔn)組織定義了各種測試方法來評估電路的傳導(dǎo)抑制，汽車OEM廠商的要求大多出自ISO7637標(biāo)準(zhǔn)。以下歸納了與汽車電子應(yīng)用相關(guān)的過壓保護(hù)問題，但并未全面概括所有與傳導(dǎo)干擾相關(guān)的細(xì)節(jié)。

穩(wěn)態(tài)過壓保護(hù)

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(yīng)器件的熱時間常數(shù)。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(jī)調(diào)節(jié)器、雙電池突發(fā)啟動或和電池反接，以下是各項詳細(xì)說明。

失效交流電機(jī)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)交流電機(jī)的輸出，通過控制勵磁繞組的電流幅度調(diào)整速度、負(fù)荷及溫度。調(diào)節(jié)過程通常由電路(電壓調(diào)節(jié)器)完成，利用脈寬調(diào)制(PWM)電機(jī)的勵磁繞組保持穩(wěn)定的電機(jī)輸出。電壓調(diào)節(jié)器的典型輸出設(shè)置為13.5V。然而，電壓調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)失效，無論負(fù)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(tǒng)都要承受高于13.5V (實(shí)際電壓取決于汽車速度、負(fù)荷極其他條件)的電壓，典型的調(diào)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(tǒng)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?qū)ν耆烹姷碾姵剡M(jìn)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(guān)的系統(tǒng)需要保證在這種條件下能夠工作。

電池反接，在生產(chǎn)和維修過程中可能會出現(xiàn)電池反接情況，這時，要求大多數(shù)系統(tǒng)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(tǒng)來說是個挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰箅娏骰虻蛪航怠?br />

瞬態(tài)過壓保護(hù)

汽車系統(tǒng)中，大多數(shù)過壓條件都是由感性負(fù)載的開關(guān)操作引起的瞬態(tài)過壓，這類負(fù)載包括啟動電機(jī)、燃油泵、車窗電機(jī)、繼電器線圈、螺線管、點(diǎn)火器件和分布電感等。任何感性負(fù)載上的脈沖電流都會產(chǎn)生過壓脈沖。根據(jù)幅度、持續(xù)時間的要求，可以選擇濾波器、金屬氧化物可變電阻、瞬態(tài)電壓抑制器等抑制這類瞬態(tài)過壓。圖1至圖4說明了ISO7637對過壓抑制的要求，表1是對ISO7637規(guī)定的總結(jié)。


圖1. 周期性的開關(guān)操作會產(chǎn)生周期性的負(fù)脈沖，幅度在(80V至-150V，持續(xù)時間1ms至140ms，典型源阻抗為5Ω至25Ω。


圖2. 周期性的開關(guān)操作使電路產(chǎn)生正向脈沖電壓，幅度在+75V至+150V，典型持續(xù)時間50μs。典型源阻抗為2Ω至10Ω。


圖3. 周期性開關(guān)操作在電路中產(chǎn)生-150V、100ns的負(fù)脈沖(3a)和100V、100ns的正脈沖(3b)，源阻抗典型值為50Ω。


圖4. 交流電機(jī)以大電流給放電電池充電時突然中斷，將會產(chǎn)生一個甩負(fù)載脈沖。電流突降會在電機(jī)輸出端產(chǎn)生一個高壓，以保持系統(tǒng)內(nèi)部的總能量。瞬態(tài)持續(xù)過程取決于電機(jī)勵磁電路的時間常數(shù)和調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時間。

表1. 來自不同OEM的傳導(dǎo)抑制測試*

Pulse Type		OEM#1	OEM#2	OEM#3	OEM#4	OEM#5	OEM#6	OEM#7	OEM#8
Pulse 1	Td	2ms	2ms	2ms	2ms	5ms	50μs	140ms	46ms
	Vp	-100V	-100V	-100V	-150V	-100V	-100V	-80V	-80V
	Rs	10Ω	10Ω	10Ω	10Ω	25Ω	10Ω	5Ω	20Ω
Pulse 2	Td	50μs	50μs	50μs	50μs	?	2ms	5.7μs	?
	Vp	150V	50V	100V	75V	?	200V	110V	?
	Rs	4Ω	2Ω	10Ω	2Ω	?	10Ω	0.24Ω	?
Pulse 3a	Td	100ns	100ns	100ns	100ns	?	100ns	4.6ms	?
	Vp	-150V	-150V	-150V	-112V	?	-150V	-260V	?
	Rs	50Ω	50Ω	50Ω	50Ω	?	50Ω	34Ω	?
Pulse 3b	Td	100ns	100ns	100ns	100ns	?	100ns	?	?
	Vp	100V	100V	100V	75V	?	100V	?	?
	Rs	50Ω	50Ω	50Ω	50Ω	?	50Ω	?	?
Pulse 5	Td	300ms	400ms	300ms	?	120ms	?	500ms	380ms
	Vp	50V	100V	43.5V	?	80V	?	70V	60V
	Rs	0.5Ω	2Ω	0.5Ω	?	2.5Ω	?	0.5Ω	0.75Ω

*電壓及持續(xù)時間僅供參考，實(shí)際測量數(shù)據(jù)可能有所變化。

如上所述，電池電壓不能直接供給低電壓、高性能開關(guān)轉(zhuǎn)換器，而是將電池連接到瞬態(tài)電壓抑制起，如MOV或旁路電容及其后續(xù)的傳統(tǒng)限幅電路。這些簡單電路一般采用p溝道MOSFET構(gòu)成(圖5a)。p溝道MOSFET的額定電壓為50V至100V，具體取決于VBAT輸入端的瞬態(tài)電壓。

利用12V齊納二極管(Z1)保護(hù)MOSFET的柵-源極，防止柵-源電壓超過VGSMAX, 當(dāng)輸入電壓(VBAT)低于齊納管Z2的擊穿電壓時，MOSFET處于飽和狀態(tài)。輸入電壓發(fā)生瞬變時，MOSFET將阻止高于Z2擊穿電壓的電壓通過。這個電路的缺點(diǎn)是使用了一個昂貴的p溝道MOSFET和許多外圍元件。


圖5a. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個p溝道MOSFET。

另一方案是使用NPN晶體管，NPN管的基極電壓嵌位在VZ3, 將發(fā)射極電壓調(diào)整在(VZ3 - VBE)。這個方案成本較低，但VBE壓降產(chǎn)生一定的損耗：PLOSS = IIN x VBE。另外，VBE壓降也增加對電池最小工作電壓的要求，尤其是在冷啟動情況(圖5b)。第三個方案是使用n溝道MOSFET，n溝道MOSFET的選擇范圍較廣，而且便宜，可以作為隔離元件使用。其柵極驅(qū)動比較復(fù)雜，要求VG高于源極電壓。


圖5b. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個NPN晶體管。


圖5c. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個n溝道MOSFET。

圖5c給出了一個使用n溝道MOSFET開關(guān)的隔離電路，甩負(fù)載情況下，當(dāng)VBAT電壓超過設(shè)置門限時，MOSFET完全關(guān)閉。隨后，只要VBAT電壓高于設(shè)置門限，MOSFET將一直保持關(guān)閉狀態(tài)。過壓保護(hù)控制器MAX6398可以汽車過壓(如甩負(fù)載或雙電池供電)時，控制n溝道MOSFET，保護(hù)高性能電源，圖6給出了方案的原理框圖。圖7至圖9給出了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際工作環(huán)境下的噪聲抑制測試結(jié)果，所采用的是n溝道MOSFET瞬態(tài)保護(hù)電路。


圖 6. MAX5073 2MHz buck轉(zhuǎn)換器配合MAX6398保護(hù)開關(guān)的典型電路，該設(shè)計具有高性能以及較高的抗干擾能力。


圖7. MAX5073雙buck轉(zhuǎn)換器的輸入紋波、開關(guān)波形測試結(jié)果，轉(zhuǎn)換器分別工作在2.2MHz開關(guān)頻率，輸入電容紋波的的頻率為4.4MHz (CH1 = 第2路時鐘源; CH2 = 第1路時鐘源; CH3 = 輸入電容紋波; CH4 = 時鐘輸出)。


圖8A和8B. 脈沖(80V，120ms，OEM#5)作用在保護(hù)器的輸入， MAX5073連接在保護(hù)器的輸出，監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的第1路和第2路輸出。

圖中波形為圖6所示保護(hù)器輸出和兩路轉(zhuǎn)換器輸出的響應(yīng)特性，時間刻度分別為1s/cm (A)和1ms/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路輸出; CH4 = 第2路輸出)


圖9A和圖9B. 脈沖(70V，500ms)作用在圖6所示保護(hù)開關(guān)的輸入，MAX5073連接到保護(hù)器的輸出，監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的第1路輸出和第2路輸出。

圖中波形為保護(hù)器輸出和兩路轉(zhuǎn)換器輸出的響應(yīng)特性，時間刻度分別為1s/cm (A)和200μs/cm (B)。(CH1 = VBAT; CH2 = VPROT; CH3 = 第1路輸出; CH4 = 第2路輸出)

如圖9所述，MAX6398功能模塊完全支持汽車應(yīng)用中的甩負(fù)載設(shè)計，提供低電壓、高性能輸出。利用保護(hù)電路、低電壓、高頻工作特性可有效節(jié)省電路板空間，降低成本。